Production d’organoïdes à l’échelle industrielle : défis, avantages et solutions
La prise de conscience que les lignées cellulaires 2D manquent de complexité pour représenter les systèmes biologiques humains a encouragé les chercheurs à rechercher des outils de culture in vitro plus avancés pour la recherche biomédicale. Les avancées récentes ont conduit à la création de modèles 3D tels que les sphéroïdes et les organoïdes.
Les sphéroïdes sont généralement des agrégats flottants de plusieurs types de cellules et sont sans doute peu complexes pour refléter l’organisation tumorale. À l’inverse, les organoïdes sont définis par leur capacité à s’auto-assembler à partir de cellules souches différenciées dans un agencement spatial qui reflète l’organe corporel qu’ils représentent, reproduisant la structure et la fonction biologique de l’organe, mais à une échelle miniature. Les organoïdes sont donc un modèle physiologiquement pertinent pour étudier les maladies humaines et évaluer l’efficacité et la sécurité des médicaments. Par exemple, les organoïdes imitent la réponse du patient lorsque les deux sont traités avec les mêmes médicaments. Des organoïdes peuvent être produits représentant des tissus malades ou sains provenant de la plupart des organes du corps.
Par conséquent, les modèles de cellules organoïdes offrent la possibilité d’accélérer le pipeline de développement de médicaments, réduisant le taux d’attrition élevé dans les essais cliniques et les coûts associés.
Toutefois, pour que cela devienne généralisé et compatible avec les applications de criblage haut débit, la production d’organoïdes à grande échelle est nécessaire.
Mise à l’échelle de la production d’organoïdes pour garantir la cohérence, la reproductibilité et la pertinence statistique lorsque les tests sont difficiles. Dans ce podcast, les experts en organoïdes Victoria Marsh Durban , Directrice des services personnalisés d’organoïdes chez Molecular Devices et Magdalena Kasendra , Directrice de la recherche et du développement au Center for Stem Cell and Organoid Medicine de l’hôpital pédiatrique de Cincinnati, discutent des avantages et des défis de la production d’organoïdes à l’échelle industrielle.
Principes de base de la production d’organoïdes
Les organoïdes proviennent généralement de cellules souches pluripotentes ou adultes.
Les cellules souches pluripotentes (CSP) peuvent être obtenues à partir de fibroblastes cutanés ou de cellules mononucléées du sang périphérique des patients. Ils se renouvellent automatiquement et peuvent être reprogrammés pour se différencier en plusieurs types de cellules. Lors de l’utilisation de PSC, il est nécessaire de résumer le développement embryonnaire in vitro dans un processus complexe en plusieurs étapes, impliquant l’application de différents facteurs de croissance pour générer des caractéristiques de plusieurs lignées cellulaires. Cela induit une différenciation en plusieurs types d’organoïdes (p. ex. cerveau, poumon, cœur, rein et foie) à partir des mêmes cellules originales, d’où le terme cellules souches pluripotentes induites (iPSC).
Exemples de modèles cellulaires 3D en haut à gauche : organoïdes cérébraux, organoïdes pulmonaires, cardiooïdes (organoïdes cardiaques) et modèle hépatique 3D.
Les cellules souches adultes, issues d’échantillons de biopsie de patients ou de tissus réséqués, ont un mécanisme cellulaire inné qui les « force » à différencier le long de la voie requise pour recréer le tissu dont elles sont issues. En d’autres termes, ils peuvent se former spontanément en organoïdes en laboratoire lorsqu’ils sont mis en culture dans des matrices extracellulaires et qu’ils reçoivent des facteurs de croissance spécifiques aux tissus appropriés.
En général, la fabrication d’organoïdes à partir de cellules souches adultes isolées à partir de biopsies tissulaires primaires du patient est plus simple que l’utilisation d’iPSC.
Difficultés liées à la production d’organoïdes
La recherche sur les organoïdes est toujours nouvelle et en pleine croissance, c’est pourquoi les chercheurs sont confrontés à des défis en matière d’optimisation et de production d’organoïdes à grande échelle, quel que soit le type de cellule souches utilisé comme point de départ.
L’un des principaux défis liés à l’utilisation d’organoïdes dérivés de cellules souches adultes est le processus de culture cellulaire qui doit être entièrement réalisé en 3D à l’aide d’hydrogel. Ce processus est beaucoup plus exigeant et chronophage que la culture 2D.
Les flux de travail basés sur la PSC entraînent des complications supplémentaires en raison de la difficulté à les manipuler dans les modèles de différenciation souhaités. Magdalena déclare : « Lorsque nous utilisons des iPSC, nous devons résumer le développement embryonnaire in vitro en introduisant différents facteurs de croissance pour imiter diverses lignées cellulaires. » Heureusement, ces limitations peuvent être surmontées aujourd'hui grâce au développement de bioprocédés de pointe hautement automatisés.
Les bioréacteurs sont largement utilisés dans la culture d’organoïdes (à la fois à base d’iPSC et de cellules souches adultes) dans des conditions environnementales soigneusement surveillées ; cependant, d’autres défis sont associés à leur utilisation. Plus précisément, la transition de la croissance initiale dans les matrices à base d’hydrogel à la suspension dans les bioréacteurs nécessite un grand soin.
En suspension dans un hydrogel, les iPSC ne sont pas exposés à des stimulations mécaniques. Cependant, les placer dans une suspension 3D les soumet à une contrainte de cisaillement changeante, ce qui peut avoir un impact sur le taux de croissance et la différenciation. Alors que de faibles niveaux de stress de cisaillement favorisent la différenciation, des niveaux excessifs peuvent induire des lésions cellulaires et la mort. Par conséquent, la contrainte de cisaillement du bioréacteur doit être soigneusement optimisée pour atteindre les états de différenciation souhaités sans perdre le rendement en organoïdes. Les stratégies actuelles comprennent la régulation de la vitesse de rotation du bioréacteur ou l’utilisation d’un bioréacteur sans contrainte de cisaillement. La stratégie optimale dépend de la croissance exacte et des exigences de différenciation pour l’organoïde d’intérêt et garantit que l’hydrogel porteur des cellules souches initiales est compatible avec le bioréacteur. Les hydrogels mous, par exemple, peuvent se dégrader dans les bioréacteurs en raison de la contrainte de cisaillement, mettant en danger l’intégrité des agrégats de cellules souches.
La difficulté d’obtenir le matériau source pour les cellules souches adultes, c’est-à-dire de trouver une ligne d’organoïde originale appropriée ou un matériau de biopsie primaire du patient est un autre défi. Actuellement, la plupart des recherches sur les organoïdes sont menées dans des établissements de recherche affiliés à des universités, où les organoïdes sont produits uniquement à des fins de recherche à but non lucratif. Toutefois, la conversion du milieu universitaire en environnement commercial, comme les sociétés pharmaceutiques, soulèvera inévitablement des préoccupations éthiques. Le consentement éthique devra être pris en compte lors de la commercialisation de cultures d’organoïdes à partir d’échantillons de patients.
Les organoïdes colorectaux peuvent être utilisés pour étudier des maladies telles que les maladies inflammatoires de l’intestin (MII).
La création de cultures d’organoïdes à partir d’organoïdes originaux peut également être fastidieuse en raison des variations entre les différents protocoles d’optimisation des lignées cellulaires. Par exemple, la mise en culture d’organoïdes cérébraux (cérébraux) implique le transfert d’IPCS vers un milieu d’induction neuronale avant leur culture dans des gouttelettes d’hydrogel. Selon Victoria, « les protocoles peuvent varier considérablement en fonction du type de tissu source, par exemple, s’il s’agit d’un tissu cancéreux et du type de cancer auquel il appartient. C’est pourquoi vous devrez peut-être optimiser le flux de production ligne par ligne, ce qui nécessite un œil expert. »
Un seul faux pas dans la mise en œuvre du protocole peut pousser la lignée cellulaire à se différencier en un phénotype indésirable.
Avantages de la mise à l’échelle des organoïdes
Bien que l’augmentation de la production d’organoïdes puisse s’avérer difficile, les avantages peuvent être considérables.
Selon Magdalena, l’un des principaux avantages est la facilité de traduction dans le paysage biopharmaceutique : « La mise à l’échelle rend les organoïdes adaptés aux normes de l’industrie et aux pratiques réglementaires afin qu’ils puissent être employés plus facilement dans la découverte de médicaments, la thérapie par cellules souches et les applications médicales personnalisées. »
La production d’organoïdes par lots à grande échelle peut être bénéfique pour la recherche universitaire et industrielle. La fabrication de grands lots d’organoïdes permet aux chercheurs et aux fabricants de mener des expériences plus vastes avec des tests haut débit.
Victoria ajoute que les grands lots d’organoïdes peuvent atténuer la variabilité d’un lot à l’autre : « En particulier, les réactifs d’origine animale utilisés dans la production d’organoïdes proviennent souvent de diverses sources. Ces réactifs de culture sont dérivés spécifiquement pour les expériences à petite échelle. Cela signifie que chaque fois que l’on souhaite cultiver des organoïdes, il va utiliser un réactif différent, ce qui indique un manque de standardisation des organoïdes. »
Enfin, le déploiement de bioréacteurs compatibles peut aider les chercheurs à surveiller les conditions environnementales, telles que la contrainte de cisaillement, plus facilement, améliorant ainsi la régularité et donc la reproductibilité.
Organoïdes : La puissance prédictive de la 3D
L’accent mis sur la recherche sur les organoïdes est principalement mis sur le fait que les organoïdes permettent de mieux comprendre l’architecture tissulaire et les interactions cellule/cellule, ce qui augmente la puissance prédictive dans le processus de découverte de médicaments. Par exemple, les « mini-intestins » ont été utilisés pour identifier les médicaments les plus efficaces pour les patients atteints de formes spécifiques de fibrose kystique (1). Des modèles similaires, développés à partir de patients souffrant de cancers gastro-intestinaux, se sont également avérés prédictifs de l’impact des traitements chez les patients eux-mêmes (2). Plus récemment, un grand nombre de types d’organoïdes ont été utilisés pour modéliser l’impact de l’infection par le SARS-CoV-2 dans divers tissus et identifier divers traitements (3).
Les organoïdes intestinaux sont des modèles micro-tissulaires 3D qui reproduisent les structures de la lumière intestinale et de l’épithélium intestinal environnant. Il peut simuler les fonctions intestinales essentielles, telles que l’absorption des nutriments et la sécrétion de mucus.
Cette meilleure prédictivité signifie que les organoïdes peuvent identifier les échecs des candidats médicaments plus tôt dans le processus de découverte de médicaments et éliminer les faux positifs (c.-à-d. les candidats qui ont échoué dans un contexte clinique malgré leur promesse dans la recherche préclinique) beaucoup plus tôt dans le processus.
Les organoïdes sont également prometteurs dans la médecine personnalisée. Les cellules souches spécifiques au patient donnent lieu à des organoïdes concordants avec la constitution génétique et les caractéristiques physiologiques du patient. Ainsi, les organoïdes deviendront inestimables lors du développement de traitements personnalisés pour les personnes atteintes de maladies génétiques rares et de cancers résistants au traitement.
L’utilisation plus répandue d’organoïdes peut également réduire l’utilisation de modèles animaux. Tout comme les modèles cellulaires 2D, les modèles animaux sont également inadéquats pour prédire la réponse du patient, leur utilisation large pose donc un risque d’échec clinique. Il existe également une pression supplémentaire sur les préoccupations éthiques concernant l’utilisation des animaux dans la découverte de médicaments. Avec la mise en place de la loi de modernisation de la FDA, les chercheurs ont commencé à chercher des stratégies alternatives aux modèles animaux.
L’utilisation d’organoïdes comme plateforme in vitro pour le développement de médicaments et l’étude des mécanismes des maladies, ainsi que les modifications de la loi, nous permettront de réduire le nombre d’animaux utilisés dans la recherche. L’adoption d’organoïdes gagnera en force à mesure que les chercheurs réalisent leur valeur et acquièrent les compétences et l’expérience nécessaires pour les utiliser en laboratoire. L’accès aux lignées d’organoïdes et le développement de tests pour tirer pleinement parti de ce modèle in vitro complexe centré sur l’humain élargiront considérablement le champ des organoïdes et nous amèneront dans une nouvelle ère de recherche en sciences de la vie.
- Saini, Angela. « Les patients atteints de fibrose kystique bénéficient des mini-intestins. » Cellules souches 19,4 (2016) : 425-427.
- Vlachogiannis, Georgios, et al. « Les organoïdes dérivés de patients modélisent la réponse au traitement des cancers gastro-intestinaux métastatiques. » Science 359,6378 ( 2018) : 920-926.
- Han, Yuling, et al. « Modèles d’organoïdes humains pour étudier l’infection par le SARS-CoV-2. » Méthodes par nature 19,4 (2022) : 418-428.