Des organes et organoïdes sur puce

Depuis plusieurs années, la médecine évolue vers un nouveau paradigme : la médecine personnalisée. Loin de la logique d’un traitement pour tous, celle-ci cherche à adapter la stratégie thérapeutique aux caractéristiques de chaque patient. Dans cette approche, deux individus atteints de la même maladie ne recevront pas forcément la même thérapie, car chacun de leur organisme peut répondre de manière très différente. Les avancées dans le séquençage et les technologies omiques (méthodes d’étude des molécules biologiques comme l’ADN) ont permis une compréhension précise de la diversité biologique humaine. Cependant, une question subsiste: comment transformer ces données en solutions thérapeutiques véritablement efficaces ?

1. Dépasser les limites des cultures de cellules en 2D et des modèles animaux

Les outils actuels pour prédire l’innocuité et l’efficacité d’un traitement avant son application au patient atteignent leurs limites. Les cultures de cellules humaines en deux dimensions, utilisées depuis les années 1970 en routine, sont trop simplistes, dépourvues d’architecture et d’interactions. Quant aux modèles animaux, ils reproduisent un organisme complet, mais restent éloignés de la physiologie humaine et ne reflètent pas toujours la réponse d’un patient à un traitement donné. À ces limites s’ajoutent des contraintes éthiques, réglementaires et sociétales de plus en plus fortes pour réduire l’expérimentation animale.

En somme, la médecine personnalisée dispose de données génétiques toujours plus riches, mais manque encore de modèles biologiques fiables pour les traduire en stratégies thérapeutiques adaptées. C’est dans ce contexte qu’émergent les organes et les organoïdes sur puce. Ces dispositifs associent le meilleur de la biologie cellulaire et des microtechnologies pour créer des modèles cellulaires humains miniaturisés capables de reproduire les fonctions essentielles d’un tissu vivant.

Un organe sur puce est une chambre de culture fermée et traversée par des microcanaux où circulent des fluides, qui héberge les cellules d’un ou plusieurs tissus. Les cellules y sont implantées et soumises à des flux, des gradients chimiques et/ou des contraintes mécaniques qui imitent la physiologie d’un organe réel. Les cellules provenant du patient peuvent être collectées puis cultivées dans ce microsystème physiologique (fig.1).

Florent Robert

On retrouve ainsi des explants de tissu ou encore des cellules souches ou primaires isolées du tissu d’origine. De la même manière, des cellules souches pluripotentes induites, issues de la reprogrammation de cellules de sang ou de peau, peuvent être générées et utilisées pour créer un tissu d’intérêt.

Les organoïdes, de leur côté, sont des structures cellulaires tridimensionnelles obtenues à partir de cellules souches pluripotentes induites, ou de cellules adultes des organes d’intérêt. Ils s’auto-organisent en structures en trois dimensions qui miment certains aspects et fonctions d’un cerveau, d’un foie ou d’un intestin par exemple. Cependant, seuls, ils souffrent d’un manque de contrôle environnemental et de vascularisation. Leur intégration dans une puce microfluidique leur donne une nouvelle dimension : apport régulier de nutriments, évacuation des déchets, contraintes mécaniques adaptées, voire connexion entre plusieurs organoïdes pour simuler des interactions inter-organes. On parle alors d’organoïdes sur puce, combinaison des deux approches. Ainsi, un foie sur puce peut simuler le métabolisme et la détoxification; un intestin sur puce peut être utilisé pour modéliser des pathologies intestinales comme le cancer colorectal. Ces dispositifs ne se contentent pas de maintenir des cellules envie: ils recréent un micro-environnement dynamique qui restitue la complexité d’un tissu humain. À partir des propres cellules d’un patient, il devient ainsi possible de recréer un modèle vivant et fonctionnel de son organe, logé dans un dispositif de taille millimétrique (fig.2).

Florent Robert

L’apport des organes et organoïdes sur puce se mesure autant en termes médicaux qu’industriels et sociétaux. En premier lieu, ils offrent des modèles potentiellement plus prédictifs que les cultures 2D ou les animaux, ce qui réduit le risque d’échec lors des essais cliniques. Dans une logique de médecine personnalisée, ils permettent de tester différents traitements sur un « avatar biologique » du patient et d’identifier la thérapie la plus adaptée. Pour les chercheurs et les cliniciens, ils constituent également un outil précieux pour comprendre les mécanismes complexes d’une maladie, comme l’évolution d’une tumeur, la propagation d’un virus ou l’impact d’une mutation génétique rare.

L’intérêt est aussi éthique: en s’appuyant sur des cellules humaines et non animales, ces technologies répondent à la pression croissante de limiter l’expérimentation animale, conformément aux attentes de la société. Enfin, l’intérêt est profondément humain: en permettant de concevoir des traitements non pas pour une population moyenne mais pour un individu donné, ces technologies rapprochent la médecine de son objectif ultime, soigner chaque patient de manière unique et adaptée. En définitive, les organes et organoïdes sur puce ne sont pas de simples gadgets de laboratoire. Ils représentent une réponse stratégique aux défis actuels de la recherche biomédicale : accélérer le développement de nouvelles thérapies, respecter les impératifs éthiques et donner à la médecine personnalisée les outils expérimentaux dont elle a besoin pour devenir une réalité clinique.

2. Des procédés de fabrication hérités de la microélectronique

Les techniques utilisées pour prototyper et fabriquer des supports microfluidiques pour les organes sur puce, et plus généralement les laboratoires sur puce, sont principalement celles héritées du domaine de la microélectronique pour générer des circuits intégrés ou des technologies Mems (micro-electromechanical systems) à base de silicium. Ces techniques reposent essentiellement sur la répétition de séquences de dépôt de couches minces, de photolithographie et d’étapes de gravure pour générer l’architecture de puce souhaitée aux géométries pouvant être complexes et atteignant des résolutions élevées, avec une taille caractéristique de quelques dizaines de microns, voire inférieure à 1 micron.

Par exemple, la photolithographie dite douce consiste en l’utilisation d’un masque et d’une résine photosensible. Le transfert de motif se fait alors non pas par une exposition directe à une lumière à haute énergie, comme pour la photolithographie conventionnelle, mais plutôt par moulage. La résine photosensible la plus utilisée est généralement la résine SU-8, qui est ensuite utilisée pour transférer les motifs sur un support en élastomère PDMS (polydiméthylsiloxane) par moulage. Ce support structuré en PDMS peut ensuite être utilisé directement en support microfluidique ou peut faire office à nouveau de moule pour répliquer des motifs comme des canaux microfluidiques sur d’autres supports (fig.3).

Florent Robert

Le PDMS présente de nombreux avantages pour le prototypage de supports microfluidiques, car ce matériau est déformable, transparent, facile d’utilisation et généralement considéré comme biocompatible. C’est actuellement le matériau le plus utilisé dans la littérature pour les prototypes de supports microfluidiques pour les organes ou organoïdes sur puce. Néanmoins, il présente quelques limitations comme sa porosité aux liquides et aux gaz. La porosité aux liquides peut ainsi altérer les motifs au cours du temps d’une part, et celle aux gaz perturbe le contrôle fin de certains paramètres physico-chimique comme les taux d’oxygénation des cellules/organoïdes cultivés d’autre part. Par ailleurs, cette perméabilité, associée à un caractère hydrophobe du PDMS, peut conduire à l’absorption de composés comme des principes actifs, pouvant ainsi limiter l’usage des organes sur puce en PDMS pour les tests de médicaments. En outre, les capacités d’industrialisation à plus large échelle sont restreintes avec cette technique pour les puces en PDMS.

D’autres techniques sont également utilisées reposant sur des gravures ou du micro-usinage, soit directement sur des thermoplastiques stables comme le COC/ COP (copolymère oléfine cyclique/polymère oléfine cyclique), ou le PMMA (poly(methylmethacrylate)), soit engravant des motifs sur des supports en métal et en utilisant ce support métallique comme un moule pour transférer les motifs sur des supports en thermoplastique amorphe par une technique de gaufrage à chaud.

Les puces microfluidiques en COC/COP ou PMMA sont transparentes, mais imperméable aux liquides et aux gaz permettant ainsi de pallier les limitations susmentionnées du PDMS. En outre, ces matériaux présentent généralement des propriétés stables au cours du vieillissement et peuvent être compatibles avec une future industrialisation à large échelle en adaptant les procédés industriels existants d’injection plastique, une fois l’architecture de la puce définie. En revanche, ces matériaux thermoplastiques ne sont généralement pas déformables, ce qui peut être un inconvénient dans certains usages d’organes sur puce.

De plus en plus d’organes ou organoïdes sur puce intègrent également une ou des fonctions de suivi et de mesures. Cela peut se faire soit par l’adaptation de techniques d’imagerie, imposant ainsi des critères de qualité optique sur les matériaux constitutifs de la puce, soit par l’intégration de capteurs au sein des puces microfluidiques. Ces capteurs peuvent être mécaniques pour mesurer des déformations, ou électrochimiques pour mesurer des métabolites ou des paramètres physico-chimiques d’intérêt (pH, lactate, CO2, etc.).

Cette intégration de capteurs requiert le développement de techniques d’assemblage adaptées, car les capteurs ou électrodes peuvent être faits en différents matériaux comme le silicium pour certains capteurs miniaturisés et l’or pour les électrodes. On parle alors d’intégration hétérogène, car cette intégration multi-matériaux et multicouches doit s’opérer sans altérer les fonctions de chaque couche, comme l’étanchéité pour la couche de puce microfluidique ou la conductivité pour les électrodes par exemple.

Compte tenu de la forte croissance du domaine des organes et organoïdes sur puce, il y a fort à parier que cette intégration hétérogène pour l’incorporation de fonctions de suivi au plus proche des cellules et organoïdes sera clé dans un avenir proche, faisant évoluer le domaine vers des puces multimatériaux de plus en plus sophistiquées, accompagnant l’essor des nouvelles générations d’organoïdes sur puce.

3. Un environnement cellulaire et tissulaire à reproduire

Un tissu biologique est structuré et régulé par un ensemble complexe de signaux biochimiques et biophysiques émis par les cellules voisines (fibroblastes, neurones, cellules gliales…), le système immunitaire, le réseau vasculaire, tous enchâssés dans la matrice extracellulaire, ainsi que par des vésicules extracellulaires et facteurs solubles (cytokines, hormones, facteurs de croissance…). Ces signaux influencent l’architecture du tissu, ses fonctions et le comportement de ses cellules, contribuant à son homéostasie. Toute altération de ces éléments peut entraîner des déséquilibres pathologiques, favorisant des maladies comme le cancer ou les maladies inflammatoires, métaboliques ou cardiovasculaires. L’étude des interactions dynamiques entre un tissu et son environnement ou d’autres organes (y compris les tumeurs) reste difficile in vivo mais aussi in vitro, par manque de modèles de culture pertinents permettant l’observation à long terme et en temps réel. Les organes sur puce, reproduisant fidèlement le micro-environnement tissulaire, offrent un outil prometteur pour explorer ces interactions complexes.

Trois facteurs essentiels doivent être considérés dans leur conception. D’abord, le choix des cellules : les cellules/tissus primaires humains, en conservant les propriétés (patho)physiologiques du tissu de patient, permettent de reproduire les interactions cellulaires et de mieux modéliser des comportements biologiques complexes. Ensuite, l’organisation architecturale: les biomatériaux et techniques de bio fabrication doivent favoriser l’agencement des types cellulaires et la reconstitution de l’architecture tissulaire (topographie). Le biomatériau choisi doit permettre l’adhésion, la prolifération, voire le remodelage tissulaire, en reproduisant l’hétérogénéité physique (rigidité, porosité…) et biochimique (composition, dégradation) de la matrice extracellulaire, notamment en conditions pathologiques. Enfin, le suivi du tissu sur la durée est crucial pour comprendre ses fonctions et l’évolution des maladies. Cela implique un contrôle précis du transport de masse (facteurs, métabolites…) via des propriétés poroélastiques adaptées et des réseaux microfluidiques intégrés. L’association de la microfluidique à des technologies d’imagerie et de détection permet ainsi l’analyse fonctionnelle du tissu sur plusieurs jours à plusieurs semaines.

4. Exemples de projets

Le programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) MED-OOC dédié aux organes et organoïdes sur puce assure le financement de plusieurs projets de recherche. En voici deux exemples.

Un regroupement de technologies pour reproduire un colon humain

Le côlon, partie distale du tube digestif, situé après l’intestin grêle, absorbe l’eau, les ions et les vitamines présents dans sa lumière, résultant en la formation des fèces. Ces absorptions s’effectuent via un épithélium formé par une mono couche cellulaire reposant sur une matrice extracellulaire (MEC) qui contient d’autres types cellulaires comme les fibroblastes et les cellules immunitaires, mais aussi les vaisseaux sanguins et des nerfs.

Cet épithélium est une barrière protectrice contre les pathogènes et les composés toxiques pouvant se trouver dans sa lumière. Il est renouvelé chaque semaine par les cellules souches situées à la base des cryptes, invaginations de l’épithélium dans la MEC. La topologie tridimensionnelle des cryptes régule la prolifération, la différenciation et l’homéostasie des cellules épithéliales, conditionnant leurs fonctions d’absorption et de protection. Toute altération de ces régulations est impliquée dans des pathologies comme le cancer colorectal, les maladies inflammatoires chroniques ou l’obésité.

Afin de mieux comprendre ces mécanismes, Il s’agit de développer un côlon humain sur puce à partir de cellules dérivées de patients en reproduisant les caractéristiques du tissu (fig.4).

Florent Robert

Ce modèle intégrera une MEC reproduisant la topologie, l’hétérogénéité cellulaire (épithélium, fibroblastes, cellules immunitaires), une vascularisation artificielle permettant le contrôle des flux et la possibilité d’injecter ou prélever des éléments aux niveaux luminal et matriciel. Ce regroupement de technologies constituera un outil précieux pour étudier la régénération intestinale, les maladies, les interactions avec le microbiote, l’impact des nutriments et polluants, et le criblage de médicaments.

Des organes connectés pour reproduire le syndrome métabolique

Le syndrome métabolique, ou maladie du « foie gras », touche environ un tiers de la population dans les pays développés. Il concerne notamment des patients obèses. Son évolution est variable, avec plusieurs types d’atteintes notamment au niveau hépatique (allant de la stéatose à la cirrhose) et cardiovasculaire. Pour bien stratifier les patients, et leur proposer des traitements adaptés, il convient de mieux comprendre le dialogue entre les organes impliqués notamment dans la régulation des lipides et les dysfonctionnements qui peuvent survenir.

Pour modéliser les différents tissus concernés (tissu adipeux, foie, paroi vasculaire), il s’agit de développer des méthodes avancées de culture cellulaire dans des puces pour bien mimer leurs architectures respectives. Un autre challenge est de concevoir une plateforme microfluidique pour assurer leur couplage en perfusion, afin de reproduire les interactions ayant lieu dans le corps humain (fig.5).

Florent Robert

On pourra alors perturber leur environnement biochimique ou mécanique pour représenter les différents stades de la pathologie.

Ces modèles seront mis en œuvre en associant les spécialistes cliniques, qui pourront comparer les données générées in vitro avec celles des cohortes de patients qu’ils suivent, et pour lesquels des échantillons in vivo sont collectés (biopsies, prises de sang… ). Cette vision croisée permettra de définir de nouveaux biomarqueurs de suivi de la progression de la pathologie, et de valider les modèles d’organes sur puce afin, par la suite, d’évaluer par exemple l’efficacité de régimes alimentaires ou de nouveaux médicaments.

5. Conclusion et perspectives

Les organes et organoïdes sur puce nécessitent, de leur conception jusqu’à leur validation, de rassembler de multiples compétences pluridisciplinaires en sciences de l’ingénierie et sciences du vivant. Ces dispositifs associent des cellules humaines vivantes à des architectures microfluidiques capables de reproduire, à petite échelle, certains mécanismes physiologiques d’un organe réel. L’intérêt de ces modèles est multiple. Pour la médecine personnalisée, ils ouvrent la voie à des « avatars biologiques » construits à partir des cellules ou des organoïdes d’un patient, sur lesquels il devient possible d’évaluer différentes options thérapeutiques avant de les administrer. Conscients de ce potentiel, de nombreux pays investissent dans des programmes structurants pour soutenir ces technologies émergentes.

En France, MED-OOC incarne cet effort. Ce PEPR exploratoire fédère des laboratoires académiques autour d’un objectif commun : développer, standardiser et valoriser les organes et organoïdes sur puce. Ce programme vise non seulement à renforcer la souveraineté scientifique et technologique de la France dans ce domaine en plein essor, mais aussi à accélérer le transfert de ces innovations vers la clinique.

Ainsi, les organes et organoïdes sur puce ne sont pas seulement des outils de laboratoire prometteurs : ils constituent un levier stratégique pour la médecine personnalisée, l’innovation industrielle et la recherche biomédicale. Portés par des initiatives comme le PEPR MED-OOC, ils dessinent une nouvelle manière de concevoir et d’évaluer les traitements, au service d’une médecine plus efficace, plus rapide et plus humaine.