Une étude de cas pour les organoïdes dérivés de patients (PDO) prêts à l’emploi et l’imagerie 3D haut débit pour faire progresser la découverte de médicaments
Introduction – le problème.
Le coût moyen de l’apport d’un nouveau médicament à la clinique est d’environ 1 milliard USD selon une étude menée par la London School of Economics en mars 2020 ( www.lse.ac.uk). Cela est en partie dû aux modèles peu représentatifs utilisés pour le criblage aux premiers stades de la découverte de médicaments, conduisant à un taux élevé d’échec des composés plus tard dans le pipeline de développement de médicaments. Cela a conduit à la recherche de modèles plus centrés sur le patient pour une sélection précoce et précise des candidats principaux pour un développement clinique ultérieur.
Les organoïdes dérivés de patients (PDO ou simplement les « organoïdes ») cultivés en trois dimensions représentent une solution à ce problème. Ce sont des copies miniatures du tissu de biopsie humain normal ou malade à partir duquel elles sont dérivées et représentent entièrement les tissus 3D dans le corps humain. Les preuves montrent que lorsque les patients et leurs organoïdes dérivés sont traités avec les mêmes médicaments, ils montrent une réponse miroir (Vlachogiannis et al., 2018). Cela démontre la preuve de principe que les organoïdes peuvent être utilisés pour cribler les « bibliothèques » de produits thérapeutiques potentiels. Les composés qui ont l’effet souhaité sur les organoïdes du patient sont susceptibles d’être efficaces pour traiter les patients eux-mêmes.
Que sont les organoïdes dérivés du patient (PDO) ?
- Dérivé de tissus de biopsie normaux ou malades du patient
- Cultivé en 3D dans un gel protéique avec alimentation liquide
- Formés à partir de plusieurs types de cellules (comme les organes du corps)
- Réplicats d’organes miniatures (p. ex., « petits intestins »)
- Entièrement représentatif de la biologie humaine
- Brevet « avatars » pour une utilisation dans la découverte de médicaments
- Cultivé dans un bioprocesseur pour créer des millions de copies standardisées par lot
Image en fond clair d’organoïdes dérivés de patients (PDO) 3D, cancer colorectal
Idéalement, une fois que les médicaments ont été correctement testés et autorisés pour une utilisation en clinique, des traitements médicamenteux individuels seraient conçus pour chaque patient, en fonction de la réponse de leurs propres organoïdes. Malheureusement, pour dériver et développer des organoïdes, il faut actuellement plusieurs semaines en laboratoire. Les cliniciens ne voudraient pas attendre aussi longtemps avant de commencer le traitement. Une thérapie personnalisée peut être possible à l’avenir, car la technologie pour la dérivation, la culture et l’expansion des organoïdes est encore affinée et développée.
Les organoïdes 3D sont une technologie relativement nouvelle et les tests permettant de les utiliser pleinement sont toujours en cours d’invention et de développement. Les chercheurs sont plus habitués à travailler avec des monocouches cellulaires 2D qui sont beaucoup moins complexes, mais qui ne représentent pas précisément la biologie humaine.
Le défi : une sélection précise des composés à partir de criblages précoces, pour un développement et des tests cliniques ultérieurs.
Le test de viabilité est une méthode courante pour quantifier l’efficacité des composés (« efficacité »). Une technique fréquemment utilisée est un test bioluminescent qui détecte la présence de cellules métaboliquement actives en mesurant les taux d’ATP. L’imagerie haut contenu peut également être utilisée pour déterminer la viabilité cellulaire en comptant le nombre de cellules vivantes ou mortes (marquées avec des colorants tels que Calcéine AM, un marqueur de cellules vivantes commun) dans un échantillon traité par médicament par rapport à un contrôle non traité (et éventuellement des organoïdes dérivés de tissus non cancéreux). L’effet souhaité des médicaments utilisés dans le traitement est de tuer autant de cellules cancéreuses que possible, tout en laissant le tissu sain intact. Le nombre de cellules encore vivantes dans l’échantillon non traité sera beaucoup plus important que dans les cellules traitées par médicament, en particulier lorsque des concentrations élevées de traitement sont utilisées. Il est donc important de quantifier la différence entre les deux conditions et de déterminer si les composés anticancéreux tels que le tramétinib ont une efficacité. Le même principe peut être utilisé pour identifier de nouveaux agents thérapeutiques qui agissent efficacement pour tuer les cellules cancéreuses dans le cadre d’un criblage à partir d’une bibliothèque de composés.
Tous les médicaments n’agissent pas de la même manière. Certains médicaments agissent spécifiquement sur un sous-ensemble ciblé de cellules ou modifient les signaux à l’intérieur des cellules pour empêcher la repousse et la propagation de la maladie. Il n’y a pas d’effet de destruction des cellules en vrac, donc les différences entre les cellules saines et les cellules cancéreuses ne sont pas facilement distinguées ou quantifiées en comptant le nombre de cellules vivantes restantes après le traitement. D’autres méthodologies sont nécessaires.
Les organoïdes colorectaux du cancer n’ont pas été traités (A) ou exposés au tramétinib (5 mM) (B). Ils ont été marqués après 5 jours pour mettre en évidence les cellules vivantes (vert, calcéine AM) et les cellules mortes (rouge, homodimère d’éthidium). On peut clairement constater qu’il reste très peu de cellules vivantes après le traitement par tramétinib.
La solution : détecter les effets subtils des médicaments agissant sur des cibles spécifiques grâce à l’imagerie 3D haut débit
Les scientifiques ont observé que le traitement des organoïdes par des médicaments peut entraîner un changement d’apparence marqué (morphologie) qui est lié à l’effet du médicament sur les cellules. Outre la viabilité, d’autres marqueurs fluorescents peuvent être ajoutés à l’échantillon pour obtenir des informations spécifiques sur les cellules et les organites, telles que la structure du cytosquelette, les mitochondries et la morphologie globale des organoïdes. La capture d’images d’organoïdes avec l’imagerie haut contenu et l’utilisation d’outils d’analyse de données pour quantifier les modifications peuvent donc potentiellement être utilisées pour indiquer quand un composé inconnu a un effet. Ceci est particulièrement pertinent lorsqu’un test sur cellules vivantes/mortes ne peut pas détecter de différence entre les cellules traitées et non traitées. (Badder et al., 2020).
Exemple de modifications morphologiques capturées avec le système ImageXpress® Micro Confocal de Molecular Devices. Les organoïdes CRC ont été marqués de façon fixe avec de la phalloïdine (vert), de l’hoechst (bleu) et de l’homodimère d’éthidium (rouge). Notez les variations du marquage de la phalloïdine (vert) entre les groupes témoin et traitement
Pour démontrer davantage le principe selon lequel l’imagerie 3D des organoïdes peut être utilisée dans la découverte de médicaments, Cellesce a utilisé l’automatisation de pointe, la technologie d’imagerie et l’analyse avancée des ensembles de données d’imagerie 3D de Molecular Devices pour comparer les caractéristiques physiques des organoïdes de cancer colorectal non traités et traités par médicament. Des outils d’analyse d’images assistée par intelligence artificielle ont été utilisés pour analyser les images CRC et divers descripteurs phénotypiques ont été utilisés pour quantifier les effets du traitement. Un exemple de l’une des mesures qui peut être effectuée, c’est-à-dire la surface totale, est présenté ci-dessous.
Images d’organoïdes capturées sur l’ImageXpress Confocal. L’imagerie en fond clair est utilisée pour surveiller les variations de la morphologie des organoïdes dans le temps. L’analyse est réalisée dans le logiciel d’analyse d’images IN Carta. Chaque organoïde identifié est recouvert d’un masque coloré. Le graphique (E) montre la variation de la surface moyenne des organoïdes sur 5 jours.
La plus grande réduction de la surface totale est observée dans les organoïdes traités avec les médicaments romidepsine et tramétinib. Par rapport au témoin, le traitement par romidepsine et tramétinib a arrêté la croissance des organoïdes. Ce résultat est cohérent avec les données du test de viabilité, où les organoïdes traités par romidepsine et tramétinib montrent une augmentation significative des cellules mortes (en tant que proportion du nombre total de cellules) par rapport au contrôle non traité. L’analyse initiale des données d’imagerie a confirmé la relation entre la morphologie des organoïdes et la réponse au médicament. Cela a démontré la preuve de principe que cette technique peut être utilisée dans les criblages de médicaments.
L’utilisation d’organoïdes et de l’imagerie 3D a le potentiel de révolutionner le criblage précoce dans la découverte de médicaments. Cela nécessite des lots standardisés et reproductibles d’un grand nombre d’organoïdes. Étant donné que les organoïdes sont mis en culture manuellement, cette exigence ne peut pas être satisfaite facilement. Cellesce a répondu à ce besoin grâce au développement d’un bioprocédé breveté. Cette nouvelle technologie unique utilise des bioprocesseurs pour la production contrôlée de quantités suffisantes d’organoïdes pour le criblage haut débit. Molecular Devices répond aux exigences supplémentaires pour automatiser la manipulation des échantillons en utilisant la robotique et l’optimisation des tests en utilisant l’imagerie et l’analyse des données.
L’utilisation d’organoïdes prêts à l’emploi, associée à l’automatisation de tests de criblage et de quantification haut débit, facilitera la sélection précise de produits thérapeutiques candidats à partir de grandes banques de composés. Cela contribuera grandement au processus d’identification des traitements efficaces et à l’accélération du processus de découverte de médicaments. La sélection précise de composés thérapeutiques potentiels aux premiers stades de la découverte de médicaments réduira le gaspillage de ressources et le coût de développement. Cela entraînera une augmentation du nombre de médicaments sur le marché. Les cliniciens pourront ainsi choisir les traitements ciblés les plus adaptés à chaque patient, avec un minimum d’effets secondaires indésirables. Cela améliorera la qualité de vie et augmentera les taux de survie.
* fin *
Améliorer le développement de médicaments : Molecular Devices et Cellesce visent à faire progresser l’utilisation des organoïdes
L’acquisition récente de Cellesce confirme l’engagement de Molecular Devices à investir dans des technologies de biologie 3D qui transforment le processus de découverte de médicaments et favorisent le développement de nouveaux agents thérapeutiques.
« Molecular Devices a la capacité, la réputation, la portée et les ressources pour garantir que la technologie Cellesce peut être développée et utilisée à son plein potentiel », a déclaré Vicky Marsh-Durban, PDG de Cellesce. « Nous sommes ravis d’apporter notre expertise dans le domaine et notre propriété intellectuelle à Molecular Devices, en maximisant ensemble l’impact pour les clients de révolutionner la découverte de médicaments et de libérer tout le potentiel de la recherche en biologie 3D pertinente pour l’homme. »
Approfondissez la conversation avec Tanya Samazan de Instrument Business Outlook et Susan Murphy, présidente de Molecular Devices, et Vicky Marsh-Durban, PDG de Cellesce.
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