Interview Comprendre le langage électrique des organoïdes

De nombreuses maladies, et pas seulement celles de l'intestin, trouvent leur origine précisément dans cet organe. Il est donc essentiel de mieux le comprendre. À l’aide de techniques modernes de culture cellulaire, les chercheurs tentent désormais de reproduire l’intestin dans toute sa complexité dans une boîte de culture (in vivo). Cela inclut également son « alimentation électrique » et la mesure des signaux émis par ce que l’on appelle les cellules excitables.

Le terme « OriDarmi » fait immédiatement penser à l'origami. Quel est le rapport entre votre projet de recherche à l'université de Kaiserslautern et l'art japonais du pliage de papier ?

Prof. Dr Monika Saumer : L'origami permet de créer, à partir d'une surface plane, un modèle 3D filigrane et complexe en le dépliant. Il est possible de réaliser une infinité de formes géométriques. Dans notre projet OriDarmi, nous procédons de manière similaire : nous fabriquons des systèmes d’électrodes de manière plane (sur une plaquette) et les déplions pour former une structure 3D complexe, dans laquelle chaque petite géométrie structurelle a son importance. Notre structure 3D contient plus de 60 électrodes en or, intégrées dans une armature en polyimide. Ces systèmes d’électrodes ont été adaptés à des cultures d’organoïdes complexes, des répliques de la muqueuse intestinale innervée « en éprouvette », et permettent de capter des signaux électriques, donnant ainsi lieu à une sorte d’ECG intestinal. Il faut savoir que l’intestin abrite une multitude de cellules nerveuses et que celles-ci sont indispensables à son fonctionnement. Nos systèmes d’électrodes permettent d’évaluer l’activité et l’état de santé des cellules intestinales, ainsi que leurs interactions au sein du tissu cellulaire.  On peut ainsi, par exemple, mesurer les effets de médicaments ou même simuler certains tableaux cliniques.

Pour ces différentes applications, nous avons jusqu’à présent mis au point deux architectures 3D : une spirale que nous intégrons dans les cultures cellulaires, ainsi qu’un petit panier à quatre bras qui entoure les organoïdes. Nos systèmes 3D, y compris les cellules intestinales, ne mesurent toutefois que trois millimètres au maximum.

On connaît un grand nombre de maladies intestinales et d'autres affections qui pourraient éventuellement être liées à l'intestin. Veuillez citer quelques exemples.

Outre les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin telles que la maladie de Crohn ou la colite ulcéreuse, on considère aujourd'hui que la barrière intestinale, influencée par le microbiome et l'alimentation, peut également être responsable de l'apparition de maladies métaboliques telles que le diabète sucré ou de maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson. De plus, ce système peut également être utilisé pour étudier les influences environnementales, le microbiome ou les toxines, qui sont souvent à l'origine de maladies ou de lésions organiques.

Pourquoi l'analyse fonctionnelle de la paroi intestinale sur un sujet vivant pose-t-elle des difficultés, et quels outils avez-vous mis au point pour mieux étudier les processus physiologiques ?

Pour étudier l'apparition de la maladie et son traitement, il est nécessaire de procéder à des mesures continues sur une longue période, directement sur le tissu intestinal vivant. L'idéal serait bien sûr d'examiner la paroi intestinale directement dans le corps humain, ce qui serait techniquement possible au prix d'efforts considérables, mais impossible à mettre en œuvre d'un point de vue éthique. C'est pourquoi nous recourons à des mesures effectuées sur du tissu intestinal en culture. Or, les cellules épithéliales intestinales, très sensibles, ne se cultivent pas facilement et perdent rapidement leur fonction dans les conditions de culture classiques (en boîte de Pétri).

Nous reproduisons donc, à l'aide de techniques modernes de culture cellulaire, à la fois la barrière intestinale et la paroi intestinale avec tous ses composants, tels que les cellules épithéliales, immunitaires et nerveuses, dans un récipient de culture (in vivo). Nous utilisons par exemple du matériel biopsié humain pour cultiver à partir de celui-ci des cultures cellulaires intestinales tridimensionnelles ainsi que des organoïdes.

Pour pouvoir capter les signaux cellulaires provenant de l'intérieur des cultures cellulaires ainsi que de toute la surface des organoïdes, c'est précisément à ces endroits que les électrodes doivent être placées. C'est pourquoi nous concevons des architectures 3D à partir de plastiques biocompatibles, qui constituent le support des électrodes et de leurs fils de connexion, et y intégrons les électrodes conductrices et les fils de connexion.

Quels sont les principaux défis qu'ils doivent relever pour réussir ?

Nous sommes tout d'abord confrontés à deux défis majeurs, l'un biologique et l'autre technique.
- Le défi biologique : parviendrons-nous à cultiver du tissu intestinal fonctionnel en éprouvette ?
- Le défi technique : comment construire des architectures 3D dotées de micro- et nanostructures fonctionnelles précises (conception, méthodes de fabrication, matériaux, surfaces) ?

Un troisième défi réside dans l'interdisciplinarité. La biologie et la médecine interagissent avec l'électrotechnique et la technologie des microsystèmes. Nous devons développer une compréhension de l’« univers » de l’autre discipline et collaborer très étroitement. C’est la seule façon de garantir que le tissu reste fonctionnel à long terme et que nous puissions réellement mesurer des signaux de qualité suffisante de manière fiable.

Voici quelques détails à prendre en compte : les systèmes d’électrodes à développer doivent envelopper l’organoïde de manière souple, sans détruire les cellules. Afin de surveiller simultanément et en continu la qualité de la barrière, il est nécessaire d’adopter une approche TEER (résistance électrique transépithéliale). Pour cela, des électrodes adaptées doivent être introduites lentement et de manière non destructive à l’intérieur du tissu. Des électrodes capillaires supplémentaires doivent permettre l’application d’un milieu de culture et d’autres substances à l’intérieur des organoïdes.

Pour garantir une bonne détection des signaux, il est nécessaire de mettre au point des microélectrodes dont la forme et les propriétés de surface permettent d'établir un bon contact avec la membrane cellulaire, voire de pénétrer à l'intérieur des cellules.

Comment les résultats du projet OriDarmi seront-ils concrètement mis à profit ?

Nos travaux permettront d'obtenir de manière fiable des données fonctionnelles à partir d'organoïdes et de tissus complexes. Nous mettrons à la disposition des chercheurs en médecine et des biologistes deux outils de diagnostic pouvant être utilisés pour étudier l'émergence des maladies et les traitements.

Le principe fondamental de notre approche repose sur la mesure des signaux émis par ce que l'on appelle les cellules excitables. Outre les cellules nerveuses, cela inclut également les cellules musculaires. Nos systèmes, développés pour l'enregistrement des cellules nerveuses intestinales, pourront donc à l'avenir être utilisés pour d'autres cellules excitables. Outre d'autres cellules nerveuses du système nerveux central et périphérique, cela concerne également les cellules du myocarde ou les cellules musculaires lisses des organes creux tels que l'intestin et la vessie.

Nous partons du principe que les résultats issus, par exemple, d'études à long terme sur les principes actifs influenceront le développement de nouvelles options thérapeutiques visant à soulager ou à guérir des maladies.

Merci beaucoup pour cet entretien, Madame la professeure Saumer.