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Organoïdes sur puce

pour mieux soigner le vivant

Organoïdes sur puce - Paludisme - INL - Sciences pour tous

Nanotechnologies pour la santé

Organoïdes sur puce : reproduire le vivant pour mieux le soigner

Organoïdes sur puce : reproduire le vivant pour mieux le soigner​​

Par Matthieu Martin

Nanotechnologies pour la santé | À la croisée de la physique, de la micro-ingénierie et de la biologie, les organoïdes sur puces sont aujourd’hui une composante incontournable de la médecine de demain. Le développement de ces mini-laboratoires permet d’appréhender l’organisme humain dans toutes sa complexité. C’est l’objectif de Caterina Tomba  à  l’INL,  qui reproduit les fonctions de l’intestin sur puce pour mieux comprendre les maladies qui affectent cet organe, mais les défis technologiques restent nombreux.

S’inspirer du vivant pour mieux le comprendre et mieux le soigner. C’est un letimotiv d’autant plus motivant que mimer le vivant est tout sauf simple. Longtemps considéré comme le domaine des biologistes, la physique et l’ingénierie se plongent de plus en plus dans son exploration. Et le croisement de ces disciplines permet aujourd’hui de reproduire le vivant en laboratoire avec toujours plus de précision.

C’est l’approche de Caterina Tomba à l’Institut des nanotechnologies de Lyon. Cette biophysicienne, chercheuse CNRS, développe en laboratoire un procédé pour reproduire certaines propriétés miniaturisées d’un intestin, au plus proche de son environnement physiologique.

De mini-organes sur de mini-laboratoires

Utilisant les outils de la biologie, de la physique et de la micro-ingénierie, elle travaille sur la mise au point d’organoïdes sur puces.

Longtemps, la culture in vitro se limitait à des boites de Pétri, très éloignés des conditions physiologiques des cellules. Puis, l’arrivée des organoïdes, combinés aux progrès en microfabrication, a permis une véritable percée scientifique. En cultivant des cellules souches extraites directement d’organes réels, les chercheurs sont capables de produire des structures cellulaires auto-organisées en trois dimensions.

Mais il ne s’agit pas encore tout à fait d’organes miniatures, pointe Caterina Tomba. Car si ces organoïdes reproduisent en partie les fonctions d’organes dont ils sont issus, certains éléments sont encore manquants. L’étape suivante, c’est de reproduire un environnement physiologique plus proche des conditions réelles dans l’organisme.

Une prouesse qui tient sur des puces de quelques millimètres.

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Thibault Mercier (doctorant à l’INL) pilotant une micro-fraiseuse pour fabriquer des microstructures dans un moule en laiton.

Thibault Mercier (doctorant à l’INL) pilotant une micro-fraiseuse pour fabriquer des microstructures dans un moule en laiton.

Mimer l’architecture cellulaire

Les propriétés physiques sont en effet très importantes lors de la croissance cellulaire. Des recherches ont montré que des cellules souches se différencient en fonction de la rigidité de leur substrat. Sur un substrat mou, des cellules du cerveau ; avec une rigidité intermédiaire, des cellules du muscles ; sur un substrat dur, des cellules osseuses.

Autre aspect important, la topographie de l’organe. L’intestin est fait d’une multitude de niveaux de courbures, de villosités et de cryptes que l’équipe de l’INL tente de reproduire sur des puces millimétriques.

« C’est comme si on suivait des athlètes habitués à courir en montagne, mais que l’on étudiait leurs performances sur une piste d’athlétisme. Or, il faut leur permettre de courir dans leur environnement naturel pour retrouver leurs performances réelles. C’est la même chose pour des cellules », explique la chercheuse.

Les organes sur puces visent justement à reproduire ces conditions physiques et cette architecture, pour s’approcher davantage des conditions réelles dans l’intestin, dans l’optique d’évaluer par exemple l’effet d’un nouveau médicament, ou d’étudier des pathologies de l’intestin.

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Valentin Chalut (doctorant à l’INL) et Caterina Tomba observant des cultures d’organoïdes en plaques multi-puits par microscopie optique.

Valentin Chalut (doctorant à l’INL) et Caterina Tomba observant des cultures d’organoïdes en plaques multi-puits par microscopie optique.

Reproduire les mouvements de l’intestin

Pendant la digestion, la paroi intestinale est constamment en mouvement. D’ailleurs, des maladies comme le cancer de l’intestin, la maladie de Crohn, la maladie céliaque sont associées à des dysfonctionnements qui impactent les mouvements et l’architecture de l’intestin. Pour s’approcher davantage d’un organe réel, et mieux comprendre ces pathologies, l’équipe de Caterina Tomba intègre donc le mouvement des parois dans ses organes sur puces.

En s’inspirant de la « robotique molle », les chercheurs mettent au point des matériaux capables d’induire des mouvements à l’aide de champs magnétiques. « On ajoute dans la préparation du laboratoire sur puce une poudre magnétisable, qui va agir comme un micro-aimant permanent », explique Caterina Tomba.

Avec cette sorte de gomme pilotable à distance, la puce s’anime d’un mouvement contrôlé, mimant celui des intestins, et pouvant s’adapter à des situations saines comme pathologiques.

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Déformation d’une membrane magnétique sous l’application d’un champ magnétique externe grâce à un dispositif obtenu par impression 3D.

Déformation d’une membrane magnétique sous l’application d’un champ magnétique externe grâce à un dispositif obtenu par impression 3D.

Des organoïdes sur puce, vers une nouvelle médecine

Une fois ces différentes briques agencées, l’étape suivante est d’observer comment les cellules répondent à cet environnement in vitro.

L’intérêt de cet environnement contrôlé est de pouvoir choisir quels paramètres faire varier, selon la pathologie ou le phénomène à étudier. « La variabilité vient de la biologie. Notre approche biophysique consiste à contrôler les propriétés de l’environnement des cellules pour étudier et quantifier leurs réponses, tout en étant au plus près des conditions in vivo », résume Caterina Tomba.

Un projet innovant, car à l’heure actuelle, personne n’est capable d’étudier avec un tel mimétisme l’intestin en laboratoire. Cette approche pourrait s’étendre ensuite à d’autres organes, pointe Caterina Tomba, avec des perspectives nouvelles pour la recherche en biologie et la recherche médicale.

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Caterina Tomba en observant des organoïdes cultivés sur un laboratoire sur puce en microscopie à fluorescence (Thunder Leica).

Caterina Tomba en observant des organoïdes cultivés sur un laboratoire sur puce en microscopie à fluorescence (Thunder Leica).

Crédits photographies – © Éric le Roux

Un dossier Sciences pour tous réalisé à l’Université Claude Bernard Lyon 1


Faire un test de grossesse, mesurer sa glycémie ou encore faire un dépistage Covid-19. Aujourd’hui, les exemples du quotidien ne manquent pas pour illustrer comment la science s’achemine au chevet du patient. Car à l’intérieur de ces petits boitiers anodins se cachent de véritables laboratoires miniaturisés.
D’infimes quantités de liquides prélevées y sont manipulées et dirigées à travers un réseau de petits canaux pour les analyser.

À l’Institut des nanotechnologies de Lyon, des chercheuses et chercheurs exploitent cette technologie pour apporter de nouvelles solutions dans de nombreux domaines de la santé, nourrissant l’espoir d’améliorer les tests diagnostiques pour le cancer, les maladies du sang, le diabète, mais aussi de mieux comprendre le fonctionnement de nos organes. Avec l’objectif d’aller vers une médecine moins invasive et plus personnalisée pour mieux nous soigner.

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