Entretien avec le professeur Aline Miller, BSc (Hons) PhD FRSC FInstP, Chief Executive Office, Director and Founder, Manchester BIOGEL
Sommaire
Veuillez donner un aperçu des organoïdes. Pourquoi sont-ils un modèle de recherche important?
Les organoïdes sont des grappes tridimensionnelles (3D) de cellules souches qui se rassemblent et émulent le microenvironnement dans des organes individuels, qu'il s'agisse du foie, des reins, du cœur, de l'intestin ou d'autres organes spécifiques. Essentiellement, ils peuvent être considérés comme des organes miniatures et simplifiés. Leur taille varie généralement de quelques micromètres à cinq millimètres et il existe potentiellement autant d'organoïdes différents qu'il y a de tissus et d'organes différents dans le corps. Une telle gamme diversifiée d'organoïdes peut se former en contrôlant la différenciation de la cellule souche spécifique utilisée, qui peut être influencée par les cellules recevant des signaux instructifs de la matrice extracellulaire 3D (ECM), du milieu et une fois la structure 3D assemblée, par les cellules présent dans les organoïdes eux-mêmes.
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Les organoïdes suscitent une attention et une excitation considérables en ce moment, car ils ont le potentiel de révolutionner la façon dont les maladies sont étudiées et traitées. La croissance de tissus d'origine humaine dans la boîte de culture tissulaire ouvre la possibilité d'étudier la biologie cellulaire fondamentale dans des organes individuels, de modéliser la maladie humaine de patients individuels et de tester de manière fiable de nouveaux composés médicamenteux pour réduire l'échec tardif de la thérapeutique et également dans une approche de médecine personnalisée. En outre, il existe un potentiel à plus long terme de croissance d'organes entiers et de leur utilisation pour la transplantation, remplaçant ainsi le besoin de dons d'organes.
Comment les organoïdes sont-ils imprimés en 3D en laboratoire, en particulier la production à haut débit?
L'impression 3D permet aux chercheurs de générer des structures de plus en plus complexes de systèmes vivants. Une application est le laboratoire sur puce, également connu sous le nom d'organes sur puce. Cela implique l'impression et la connexion de différents organoïdes ensemble pour créer une voie 3D semblable à celle d'un humain. Ceux-ci sont généralement utilisés pour tester la toxicité et l'efficacité des nouveaux médicaments lorsqu'ils traversent les organes de la puce, qui vise à reproduire l'environnement du corps humain. L'objectif principal est d'augmenter la découverte de médicaments, de réduire le taux d'échec des thérapies au stade avancé, de faire progresser la médecine personnalisée et de réduire les tests sur les animaux.
La production à haut débit implique l'impression de structures cellulaires répétitives, ou de gouttelettes contenant des cellules, qui conduisent à la formation du même organoïde dans plusieurs réseaux. Cela permet de réaliser de nombreux tests comparables en même temps et en succession rapide. L'avantage d'un tel environnement à haut débit est que vous êtes en mesure d'explorer rapidement l'effet d'un grand nombre de variables sur le système, en utilisant de très petits volumes d'échantillons. C'est plus rapide, moins cher et plus facile que les méthodes traditionnelles. Les progrès récents de la manipulation robotique de liquides à haut débit ont bien accéléré cet aspect du travail, en plus du développement de «bioinks» hydrogels imprimables.
Comment l'aspect haut débit de la production d'organoïdes affecte-t-il la fiabilité? Cela change-t-il la façon dont ils interagissent avec les médicaments?
La fiabilité et la reproductibilité sont primordiales lors de l'impression d'organoïdes pour la découverte de médicaments. Pour le moment, je pense que les défis pour y parvenir résident dans la fiabilité de ce que vous imprimez en premier lieu. Imprimez-vous le même nombre de cellules à chaque fois? Toutes vos cellules survivent-elles au processus d'impression? Les cellules imprimées peuvent-elles se regrouper de la bonne manière pour former les organoïdes que vous souhaitez faire pousser? Dans quelle mesure le processus d'impression peut-il être cohérent dans une expérience? Dans quelle mesure cela peut-il être cohérent entre différentes expériences et différents laboratoires?
Chacun des éléments ci-dessus doit être connu et contrôlé pour permettre la survie des cellules dans le processus d'impression et la croissance d'organoïdes de même taille et type, à chaque fois. Je crois que ces défis peuvent être surmontés en adoptant une approche d'ingénierie des matériaux. Cela signifie utiliser un hydrogel connu, bien caractérisé et cohérent comme l'ECM. Cela permettra de prédire et de déterminer les paramètres d'impression (volume, taille de l'aiguille, nombre de cellules, pression d'impression, vitesse et temps) pour assurer une impression reproductible et fiable pour la formation d'organoïdes cohérents. Ce n'est qu'alors que la biologie spécifique des cellules organiques sera reproduite pour donner des données cohérentes, reproductibles, fiables, efficaces et évolutives.
Que propose Manchester BIOGEL pour l'impression 3D organoïde?
Manchester BIOGEL propose des systèmes d'hydrogel peptidique synthétique 3D, PeptiGels® qui sont entièrement imprimables et reproductibles. Les hydrogels sont des échafaudages fibrillaires, rappelant l'ECM naturel, qui fournissent essentiellement un cadre d'escalade sur lequel les cellules peuvent aller, se déplacer, interagir avec, se différencier et se développer. Les propriétés mécaniques et la fonctionnalité de ces échafaudages sont hautement réglables pour créer des environnements qui imitent tous les tissus humains. Il est important de noter que nos produits peptidiques, PeptiGels®, sont fluidifiés par cisaillement, ce qui signifie qu'ils sont facilement imprimables et qu'ils retrouvent leurs propriétés de gel immédiatement après leur sortie de l'aiguille d'impression.
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De telles propriétés permettent aux cellules souches de se regrouper de manière reproductible et fiable. Il protège également les cellules et finalement la croissance organoïde pendant le processus d'impression 3D. Cette protection est importante, car lorsque vous imprimez, vous mettez beaucoup de contraintes de cisaillement sur les cellules et sur les matériaux. L'encapsulation dans l'hydrogel aide à garantir que les cellules survivent au processus d'impression 3D et conservent leur capacité à former l'organoïde souhaité.
Nos hydrogels vous permettent également d'imprimer des structures 3D avec une haute résolution spatiale. Cela vous permet de faire des choses plus complexes comme imprimer des microstructures spécifiques dans un organe plus grand. Par exemple, vous pouvez imprimer la vascularisation dans un cœur et imprimer différents types de cellules pour reproduire différentes parties de l'organe avec nos PeptiGels® sur mesure.
Pourquoi l'évolutivité de la technologie Manchester BIOGEL est-elle bénéfique?
Nos matériaux sont entièrement évolutifs et sont fabriqués selon les normes ISO13486 avec une reproductibilité complète – nous garantissons aucune variabilité de lot à lot. Avoir un matériau 3D qui présente ces caractéristiques est crucial pour la production d'organoïdes, pour toute application.
Un autre besoin clé est la capacité de recréer des tissus humains en toute sécurité dans le développement de systèmes cliniquement traduisibles. Le matériau principalement utilisé actuellement est le Matrigel, qui est une tumeur décellularisée cultivée chez la souris. Ce système dérivé d'animaux est bien connu pour avoir une énorme variabilité d'un lot à l'autre et contient également une «soupe» de facteurs de croissance et de séquences de reconnaissance cellulaire qui influence le comportement cellulaire de manière inconnue et imprévisible. En conséquence, vous ne pouvez pas être sûr si le comportement de la cellule que vous obtenez est réellement dû à la réponse de la cellule ou s'il est dû à quelque chose de présent dans le matériau Matrigel. De plus, toute R&D développée à l'aide de ce système ne sera jamais traduite dans la clinique car elle provient d'animaux.
Vous pouvez supprimer ces facteurs de risque en travaillant avec des hydrogels entièrement synthétiques, car vous savez exactement ce qu'ils contiennent et vous savez qu'ils ne provoquent aucune réponse cellulaire spécifique autre que celle que vous composez.
Pourquoi la matrice extracellulaire est-elle si importante lors de l'impression 3D d'organoïdes? Comment la matrice extracellulaire peut-elle être manipulée par les chercheurs?
La matrice extracellulaire (ECM) est essentielle lors de l'impression 3D d'organoïdes. Il offre non seulement une protection aux cellules contre les contraintes et contraintes élevées du processus d'impression, mais fournit également un support matriciel pour encourager le regroupement des cellules et la différenciation dirigée une fois imprimées.
Les hydrogels peptidiques sont des imitateurs ECM idéaux pour la bio-impression; ils sont intrinsèquement biocompatibles, peuvent être facilement manipulés en termes de résistance mécanique et (bio) fonctionnalité peuvent facilement être introduits pour une différenciation directe. Celles-ci sont essentielles pour garantir que le comportement humain de l'organoïde puisse être reproduit.
Plus spécifiquement, la rigidité de l'hydrogel peut être réglée pour correspondre aux propriétés du tissu in vivo, par exemple la rigidité du tissu cérébral est bien inférieure à la rigidité du tissu cardiaque. Ceci est réalisé en partie en modifiant la concentration et en partie en modifiant le type de peptide que nous utilisons pour formuler nos matériaux. En outre, des séquences instructives cellulaires peuvent être intégrées dans l'hydrogel de manière systématique et modulaire, offrant un contrôle complet sur la réponse et le comportement des cellules. Les groupes fonctionnels typiques qui peuvent être incorporés comprennent -RGD (fibronectine), -IKVAV et YIGSR (laminine) et -GFOGER (collagène) nous permettant de répliquer des composants naturellement présents dans certains environnements in vivo.
Ensuite, nous pouvons également ajouter des facteurs de croissance spécifiques, des sucres ou des glycosaminoglycanes dans le système, comme souhaité par nos clients.
Quels types d'organoïdes peuvent être produits? Existe-t-il des types de tissus et des structures qui ne peuvent pas encore être imprimés en 3D?
Je crois que tout type de tissu ou organe peut être reproduit principalement parce qu'il y a des progrès récents dans le contrôle de la différenciation des cellules souches en différentes lignées et aussi que les propriétés des hydrogels peuvent être ajustées pour reproduire n'importe quel type de tissu humain.
Je n'ai connaissance d'aucun tissu qui ne puisse pas encore être imprimé. Cependant, il y en a encore beaucoup en développement dans différents groupes de recherche à travers le monde. Quelques exemples de ce que nous avons examiné spécifiquement avec nos hydrogels sont des choses comme les organoïdes hépatiques, rénaux et cardiaques. Nous avons également fait quelques organoïdes gastro-intestinaux et nous nous sommes particulièrement concentrés sur différents types d'organoïdes tumoraux à différents stades de progression de la maladie.
Veuillez donner un aperçu de la bio-impression 3D dans la recherche sur le cancer. Les organoïdes peuvent-ils être imprimés avec des cellules tumorales? Les tumeurs peuvent-elles être imprimées?
La bio-impression 3D de modèles de cancer commence à émerger comme un domaine de croissance. Ceci est motivé en partie par la nécessité pour les chercheurs de s'éloigner des cultures 2D, c'est-à-dire de la biologie plate et dans l'espace 3D pour vraiment répliquer le comportement tumoral in vivo, et en partie par la nécessité d'imprimer des structures plus complexes, par exemple représenter la vascularisation intégrée dans tumeurs. Une grande partie de ceci peut être réalisée en imprimant plusieurs lignées cellulaires, ensemble ou séparément, incorporées dans des hydrogels conçus pour recréer les différentes régions dans les tumeurs.
Un développement récent intéressant consiste à manipuler les propriétés de l'échafaudage individuellement à l'aide de PeptiGels®. Par exemple, nous sommes en mesure d'ajuster le pH et la rigidité indépendamment pour reproduire l'environnement des tissus sains et tumoraux, ainsi que des tissus tumoraux à différents stades de progression. De manière passionnante, cela a été démontré avec des cellules cancéreuses du sein et des lignées cellulaires cancéreuses pancréatiques pour conduire à des différences dans les voies de biologie cellulaire.
Comment les organoïdes imprimés en 3D peuvent-ils être utilisés en médecine personnalisée?
L'impression d'organoïdes 3D peut aider à développer des médicaments personnalisés de deux manières; Premièrement, il peut augmenter la précision du diagnostic d'une condition, et deuxièmement, il peut aider à trouver le bon traitement, ou le bon mélange de médicaments, pour fournir la réponse thérapeutique optimale pour chaque patient. Nous sommes tous différents et avons des processus moléculaires et cellulaires complexes uniques. Par conséquent, nous avons des profils de toxicité et d'efficacité très différents pour le ou les mêmes médicaments. Par exemple, actuellement, seuls 30 à 60% des traitements des patients sont efficaces en raison des différences dans la façon dont un individu répond et métabolise les médicaments.
En capitalisant sur les progrès récents de la technologie des cellules souches, nous pouvons désormais prélever un échantillon des propres cellules souches d’un patient, et le combiner avec des technologies à haut débit pour les imprimer et les cultiver dans de multiples réseaux organoïdes. Cela nous permettra d’explorer, de comprendre et d’identifier les profils génétiques responsables de la réponse médicamenteuse de chaque patient et de l’utiliser pour établir son profil «pharmacogénomique» et identifier le traitement optimal.
Cela nous permettra de nous éloigner de notre prescription actuelle «par essais et erreurs» pour adopter une thérapie optimale pour la première fois.
Y a-t-il des domaines qui, selon vous, seront fortement impactés par les organoïdes imprimés en 3D à l'avenir?
Comme mentionné précédemment, je pense que les domaines clés dans lesquels l'impression 3D d'organoïdes peut créer un changement radical se situent dans les domaines en croissance de la découverte de médicaments, des médicaments personnalisés, de l'ingénierie tissulaire et de la compréhension et de l'amélioration du traitement des maladies, y compris le cancer.
Dans chacun de ces domaines, la bio-impression 3D offre la possibilité de développer une compréhension plus approfondie de la science sous-jacente, ainsi que d'augmenter l'efficacité des thérapies, de réduire leur coût de développement et de conduire à un changement de paradigme dans le traitement des maladies.
En résumé, cela améliorera notre qualité de vie.
Que voyez-vous comme l'avenir des organoïdes imprimés en 3D et pour Manchester BIOGEL?
Manchester BIOGEL est en train de devenir un leader du marché dans la conception et la fourniture d'hydrogels peptidiques, PeptiGels®, car ces matériaux sont des imitations ECM imprimables avec une expérience éprouvée pour héberger une gamme de cellules souches différentes, et la différenciation cellulaire a été orientée vers plusieurs organoïdes. Les exemples comprennent, mais sans s'y limiter, les systèmes hépatique, rénal, cardiaque, gastro-intestinal et tumoral.
Il est important de noter que nos PeptiGels peuvent être imprimés dans une structure complexe pour imiter des organes complets en utilisant des méthodologies de bio-impression traditionnelles, tout en étant également capables de former des micro-gouttelettes (jusqu'à 2 ml) tout en maintenant la viabilité de l'appel et l'intégrité structurelle en utilisant des techniques de manipulation de liquide.
Dans l'ensemble, nous sommes ravis de contribuer à ce domaine en pleine croissance et de devenir l'acteur clé pour permettre la réplication de comportements plus humains en laboratoire, réduire l'utilisation d'animaux dans la recherche sur les médicaments et offrir des solutions cliniquement traduisibles. Tout cela en parallèle avec un gain de temps et de ressources pour les chercheurs en permettant la génération de résultats reproductibles et fiables.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d'informations?
https://manchesterbiogel.com/
À propos du professeur Aline Miller, BSc (Hons) PhD FRSC FInstP
Aline supervise et dirige actuellement tous les aspects de l'entreprise et possède plus de deux décennies d'expérience dans la direction d'équipes commerciales et universitaires dans le secteur des sciences de la vie. Elle a une solide expérience en matière de collecte de fonds pour favoriser la traduction de la recherche universitaire dans le contexte clinique et commercial.
Avant de prendre le poste de PDG, Aline était professeur de génie biomoléculaire à l'Université de Manchester. Elle est chimiste de formation et a également obtenu une bourse de recherche New Hall Junior à l'Université de Cambridge.
