Modèles 3D dépendants d'un échafaudage pour un criblage à haut débit

Les cultures cellulaires 3D dépendantes d’un échafaudage reposent sur un support physique allant des surfaces mécaniques aux structures de type matrice extra cellulaire (ECM) sur lesquelles les cellules sont cultivées pour s’agréger, se diviser et migrer. Les propriétés physiques et chimiques de l’échafaudage influenceront la structure et les caractéristiques cellulaires. Dans les échafaudages synthétiques, les hormones et les facteurs de croissance nécessaires à la croissance d’un phénotype cellulaire spécifique peuvent être intégrés. Par conséquent, le choix du support, qu'il soit biologique ou synthétique, les propriétés physiques (porosité, rigidité et stabilité dans les conditions de culture) et chimiques (compatibilité) du support doivent être prises en compte, pour obtenir une culture viable qui pourra ensuite être utilisée à des fins élevées. cribles de médicaments à haut débit (1).

Hydrogels synthétiques et biologiques

Les hydrogels sont des réseaux produits à partir de chaînes polymères diluées avec une structure et des propriétés données, obtenues par réticulations intermoléculaires ou interfibrillaires. Les hydrogels biologiques issus de sources naturelles telles que le collagène, la fibrine ou le Matrigel sont biocompatibles, dotés de propriétés adhésives naturelles et capables de soutenir de nombreuses fonctions cellulaires physiologiques. Cela se traduit par une viabilité cellulaire accrue, une prolifération ou une différenciation contrôlée et souvent un phénotype cellulaire généralement observé in vivo. La modification du type d'hydrogel utilisé et de ses concentrations est souvent utilisée pour observer la réponse des cellules cancéreuses à des mesures thérapeutiques comprenant la chimiothérapie, l'immunothérapie et la radiothérapie (2,10).

Cependant, les échafaudages biologiques les plus couramment utilisés, tels que le collagène et le Matrigel, sont disponibles sous forme liquide mais doivent être manipulés à des températures froides pour éviter une gélification prématurée. Cette exigence de basses températures limite son utilisation dans les équipements de manipulation de liquides utilisés pour le criblage à haut débit dans la découverte de médicaments (10).

Des hydrogels synthétiques bien conçus peuvent constituer une excellente plate-forme à utiliser dans les cultures cellulaires 3D. Ils peuvent représenter efficacement les propriétés de type ECM, notamment les sites protéolytiques et les facteurs de croissance. Ils peuvent être facilement ajustés pour obtenir les propriétés physiques et chimiques souhaitées afin de favoriser la croissance d’un phénotype cellulaire particulier. De plus, les polymères synthétiques présentent l’avantage supplémentaire d’être relativement peu coûteux, relativement inertes et reproductibles, permettant ainsi l’acquisition de résultats cohérents et fiables. Les progrès récents dans les sciences des matériaux ont généré de petits hydrogels à base de peptides comme nouvel échafaudage de culture cellulaire 3D qui se prête aux études de découverte de médicaments. Ces hydrogels sont très polyvalents et les propriétés des matériaux peuvent être modulées en substituant des acides aminés, soit en prolongeant ou en raccourcissant la séquence peptidique (3).

Les peptides synthétiques courants efficacement utilisés pour la culture 3D sont : les peptides dérivés de levure EAK16 et RADA16 (4), les peptides Fmoc-FF (Fluorenylmethoxycarbonyl-diphénylalanine) (5) et Fmoc-RGD (Fluorenylmethoxycarbonyl arginine-glycine-acide aspartique) (6 ). Un dérivé de substitution d'acide unique du peptide MAX1, MAX8, s'est révélé compatible avec les équipements de manipulation de liquides, ce qui le rend approprié pour la découverte de médicaments à haut débit (7).

Organoïdes

Au cours des dernières années, la technologie organoïde a rapidement évolué pour devenir une technique de culture 3D qui aboutit à des cellules 3D auto-organisées et auto-renouvelées dérivées de tissus primaires, de cellules souches embryonnaires ou de cellules souches pluripotentes induites, qui contiennent une structure et une fonction similaires à celles du tissu de origine (8). Les organoïdes dérivés de cellules humaines ont ouvert la voie à des modèles physiologiquement pertinents pour étudier le développement et la progression des maladies humaines. Les modèles organoïdes 3D avancés s’avèrent en outre être une plate-forme efficace pour le développement de médicaments, rentable, avec des modèles précis de maladies humaines, qui ne peuvent pas être recréés dans des modèles animaux (9).

L’application la plus courante des cultures organoïdes est le profilage du transcriptome, avec des technologies évolutives compatibles pour le criblage de médicaments à haut débit. Les organoïdes rénaux ont été étudiés dans le cadre d'examens de toxicité, ainsi qu'un modèle de fibrose kystique développé pour l'examen de médicaments. Au cours des dernières années, des co-cultures de niche de cellules souches intestinales ont été développées pour le criblage de médicaments à haut débit. De plus, les tuméroïdes (oranoïdes développés à partir de tissus cancéreux spécifiques à un patient) ont fourni une plate-forme de culture 3D plus représentative pour le développement de médicaments personnalisés (10).

Bibliographie

  1.  Caliari, SR et Burdick, JA (2016). Un guide pratique des hydrogels pour la culture cellulaire. Nat. Méthodes
    13, 405-414.
  2. Worthington, P., Pochan, DJ et Langhans, SA (2015). Hydrogels peptidiques – matrices polyvalentes pour
    Culture cellulaire 3D en médecine du cancer. Devant. Oncol. 5h92. est ce que je: 10.3389/fonc.2015.00092Worthington, P.,
    Pochan, DJ et Langhans, SA (2015). Hydrogels peptidiques – matrices polyvalentes pour la culture cellulaire 3D en
    médecine du cancer. Devant. Oncol. 5h92.
  3. Zhang, YS, et Khademhosseini, A. (2017). Avancées dans l’ingénierie des hydrogels. Science
    356 : eaaf3627.
  4. Guilbaud, JB, Vey, E., Boothroyd, S., Smith, AM, Ulijn, RV, Saiani, A. et al. (2010). Enzymatique
    synthèse catalysée et gélification déclenchée de peptides ioniques. Langmuir 26, 11297-11303.
  5. Zhou, M., Smith, AM, Das, AK, Hodson, NW, Collins, RF, Ulijn, RV et al. (2009). Hydrogels à base de peptides auto-assemblés comme échafaudages pour les cellules dépendantes de l'ancrage. Biomatériaux 30, 2523-2530.
  6. Worthington, P., Drake, KM, Li, Z., Napper, AD, Pochan, DJ et Langhans, SA (2017). Hydrogels Betahairpin comme échafaudages pour la découverte de médicaments à haut débit dans la culture cellulaire tridimensionnelle. Anal. Biochimie. 535, 25-34.
  7. Simian, M. et Bissell, MJ (2017). Organoïdes : une perspective historique de la pensée en trois
    dimensions. J.Cell Biol. 216, 31-40.
  8. Dutta, D., Heo, I. et Clevers, H. (2017). Modélisation des maladies dans les systèmes organoïdes 3D dérivés de cellules souches. Tendances Mol. Méd. 23, 393-410.
  9. Langhans SA (2018) Modèles tridimensionnels de culture cellulaire in vitro dans la découverte et la découverte de médicaments
    Repositionnement. Devant. Pharmacol. 9:6.