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Organoïdes

La recherche biologique et la modélisation de maladies résument la complexité des tissus réels

Que sont les organoïdes ?

Les organoïdes sont des micro-tissus multicellulaires en trois dimensions (3D) dérivés de cellules souches et conçus pour imiter fidèlement la structure et la fonctionnalité complexes des organes humains comme le poumon, le foie ou le cerveau. Les organoïdes sont généralement constitués d’une co-culture de cellules qui présentent un ordre supérieur d’auto-assemblage permettant une représentation encore meilleure des interactions et des réponses cellulaires in vivo complexes par rapport aux cultures cellulaires traditionnelles en 2D.

Un organoïde peut être défini de trois façons différentes :

  • Il s’agit d’un micro-tissu biologique 3D contenant plusieurs types de cellule
  • Il représente la complexité, l’organisation et la structure d’un tissu
  • Il présente la fonctionnalité d’un tissu, au moins en ce qui concerne quelques aspects

Importance et avantages des organoïdes

Les organoïdes sont de plus en plus importants dans les domaines de la recherche sur le cancer, la neurobiologie, la recherche sur les cellules souches et la découverte de médicaments, car ils permettent une meilleure modélisation des tissus humains. Dérivés de cellules souches, les organoïdes peuvent être élargis à une large plage de types de tissu, notamment le foie, le poumon, le cerveau, le rein, l’estomac et l’intestin. Comme ces micro-tissus 3D imitent les organes in vivo, ils peuvent vous fournir davantage d’informations sur les mécanismes du développement humain et les maladies. Par exemple, vous pouvez développer des organoïdes à partir de cellules mutées afin de comprendre comment des mutations génétiques spécifiques sont associées à certaines maladies génétiques. Les organoïdes peuvent également faciliter l’étude des maladies infectieuses et des interactions hôte-agent pathogène. Enfin, la capacité d'utiliser des organoïdes dérivés de patients pour le criblage de médicaments et les évaluations de la toxicité vous permet des avancées en médecine personnalisée.

Protocole général de recherche sur les organoïdes

En raison de la complexité croissante des organoïdes et d'autres systèmes cellulaires 3D, des techniques d’imagerie 3D et d’analyse plus sophistiquées sont nécessaires afin de caractériser ces tests biologiques de façon précise et efficace. Actuellement, les systèmes d’imagerie confocale automatisés et les logiciels d’analyse d’images 3D sont couramment utilisés pour aider les chercheurs à simplifier leur flux de travail et à obtenir des résultats optimaux.

Illustration d’un protocole avec organoïdes

Étape 1) Préculture 2D

Les organoïdes dérivent soit de cellules primaires (par exemple, intestin, poumon ou rein) soit de cellules souches pluripotentes induites. Les cellules souches sont capables de se différencier et de s’auto-assembler en divers organoïdes spécifiques aux tissus.

Étape 2) Développement d’organoïdes 3D

Généralement, les cellules sont prémélangées avec du Matrigel et des gouttelettes sont placées dans une plaque de 24 puits à la température ambiante. Les plaques sont ensuite placées dans un incubateur afin de former un dôme solide de gouttelettes. Du milieu est alors ajouté pendant au moins 7 jours afin de favoriser la croissance et la différenciation des cellules dans un tissu spécifique (cerveau, intestin, poumons, etc.). Le milieu inclut une matrice extracellulaire (MEC), des protéines et différents facteurs de croissance, qui varient selon le type de tissu à faire croître.

Étape 3) Culture d’organoïdes

La culture d’organoïdes est un long processus pouvant comprendre plusieurs étapes utilisant des milieux différents. Durant ce processus, le phénotype cellulaire doit être surveillé (PCR, imagerie) ; généralement utilisé pour comprendre la biologie développementale et les tissus.

Étape 4) Surveillance et résultats

Avant de réaliser des expériences, les organoïdes doivent être surveillés et caractérisés afin de s’assurer qu’ils ont la structure et la différenciation tissulaires appropriées. L’imagerie haut contenu permet la surveillance et la visualisation de la croissance et de la différenciation des organoïdes, la reconstitution 3D des structures, l’analyse complexe de la structure des organoïdes, la morphologie et la viabilité cellulaires, ainsi que l’expression des différents marqueurs cellulaires.

Étape 5) Imagerie confocale et analyse 3D

L’imagerie confocale et l’analyse 3D des organoïdes permettent la visualisation et la quantification du nombre, de la distribution des tailles, du nombre de cellules, du contenu des cellules, de la viabilité cellulaire, du volume, ainsi que la quantification de la prolifération cellulaire et l’expression de marqueurs spécifiques. La caractérisation de multiples descripteurs quantitatifs des organoïdes pourrait être utilisée pour étudier les phénotypes des maladies et les effets des composés.

Imagerie confocale et analyse d’images 3D des organoïdes

Les structures des organoïdes offrent un outil très utile pour la modélisation des maladies et l’évaluation des effets des composés. L’imagerie et l’analyse automatisées des organoïdes sont importantes pour l’amélioration de l’évaluation quantitative des variations phénotypiques dans les organoïdes, ainsi que pour l’augmentation du débit des expérimentations et des tests.

 

Imagerie confocale et analyse d’images 3D des organoïdes

 

L’imagerie confocale et l’analyse d’images 3D sont particulièrement utiles pour capturer la complexité des tests biologiques 3D. Contrairement aux sphéroïdes habituels, qui ont l’apparence d’objets solides et pour lesquels la pénétration de la lumière est limitée, les organoïdes 3D ont une apparence creuse, avec une lumière ou des cavités à l’intérieur, et sont plus facilement pénétrés par la lumière, ce qui permet de réaliser une "imagerie traversant" plusieurs micro-tissus inclus dans du Matrigel.

Analyse CME d'organoïdes des voies respiratoires

Les outils d’analyse d’images permettent de trouver et de caractériser de multiples objets/organoïdes, soit au format 2D (pour des images sur un plan unique ou pour des images de projection maximales), soit au format 3D lorsque des objets issus de plusieurs plans sont reliés et reconstitués dans un espace 3D par un logiciel. Les organoïdes peuvent être caractérisés en terme de diamètre, de volume, de forme, d’intensité d’un marqueur spécifique ou de la distance par rapport à d’autres objets.

En outre, des cellules, des noyaux ou des organites individuels peuvent être définis et mesurés au sein de chaque organoïde. Cela permet de compter le nombre de cellules vivantes et de cellules mortes, ou le nombre de cellules avec un marqueur spécifique pour définir également les volumes et les distances entre les objets. Les valeurs numériques peuvent être comptées pour chaque organoïde ou pondérées par puits.

Galerie d’images de cellules d'organoïdes pulmonaires

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