Développement d'un système multitube biomimétique pour l'étude de l'ADPKD

Development of a biomimetic multitube system in the case of the ADPKD

• Auteur / Autrice : Sarah Myram
• Direction : Sylvie Coscoy, Stéphanie Descroix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biophysique
• Date : Soutenance le 16/01/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physiologie, Physiopathologie et Thérapeutique (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Cellules et Cancer (Paris ; 2024-....)
• Jury : Président / Présidente : Joëlle Sobczak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Saunier, Marco Pontoglio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Malaquin, Sylvie Dufour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maladies rénales

Microfluidique

Polykystose rénale

Mots clés libres

Pathologie rénale

Organe-sur-puce

ADPKD

Rein-sur-puce

Microfluidique

Renal disorder

Organ-on-chip

ADPKD

Kidney-on-chip

Microfluidics

Résumé

L’ADPKD, ou Polykystose Rénale Autosomique Dominante, est la maladie rénale héréditaire la plus fréquente (1/1000) dans le monde. Elle est causée par une mutation dans les gènes Pkd1 ou Pkd2 qui codent pour les polycystines. Sa principale caractéristique est la formation progressive de kystes à partir des néphrons, ce qui conduit à une insuffisance rénale à l'âge adulte. Dans ce projet, nous avons développé un modèle pour étudier la kystogénèse selon l’hypothèse de l'effet " boule de neige ", qui stipule que les tubules adjacents aux kystes existants sont davantage susceptibles de former des kystes secondaires. Nous avons émis l'hypothèse que ce processus est dû à la compression des tubules par la croissance des kystes, ce qui entraîne des perturbations des voies de signalisation impliquées dans la mécanotransduction (morphologie cellulaire, polarité) et une dilatation consécutive des tubules s’accompagnant de la formation de kystes secondaires. Pour reproduire l'effet boule de neige, notre approche a consisté à développer un rein-sur-puce mimant l’organisation des néphrons et les compressions exercées par les kystes en expansion. Ce dispositif est composé d’une microchambre centrale ouverte en thermoplastique transparent et dans laquelle des tubes espacés de 100 ou 200 m ont été moulés en collagène I. Ils ont été recouverts de laminine, l’un des composants principaux de la membrane basale des néphrons. Pour mimer l'ADPKD, nous avons ensemencé ces tubes avec un modèle cellulaire de la maladie (Pkd1-/-), qui présente en 2D une réduction de l’adhérence et une altération de la polarité apico-basale par rapport aux cellules contrôles, et proliférant deux fois plus vite. Dans les tubes, nous avons remarqué que les deux types cellulaires forment une monocouche de cellules cuboïdales avant de remplir les tubes. Les cellules contrôles génèrent une déformation minimale des tubes, alors que les Pkd1-/- induisent une dilatation tubulaire importante, en accord avec les étapes préliminaires de formation des kystes. En outre, la réduction de l’espacement intertubulaire à 100 µm favorise l’interaction entre les tubes après leur dilatation, permettant l’étude des couplages mécaniques et chimiques inter-tubes. Ainsi, ce rein-sur-puce innovant permet de reproduire des déformations tubulaires précoces, et constituera un modèle d’étude des mécanismes impliqués dans la kystogénèse.

ADPKD (Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease) is the most frequent inherited renal disease (1/1000) worldwide, caused by mutations in Pkd1 or Pkd2 gene encoding polycystins. Its major hallmark is the slow cystogenesis from nephrons, progressively leading to renal failure in adulthood. Here, we address the mechanisms of the reported “snowball effect” in cyst formation: tubules adjacent to existing cysts are more likely to form secondary cysts. We hypothesized that this process is due to tubule compression by the first expanding cysts, which leads to mechanotransduction perturbations (cell morphology, polarity), and to subsequent tubule dilation with secondary cyst formation. Thus, in line with the organ-on-a-chip field, we wanted to reproduce the snowball effect in a device mimicking the nephrons organization, and the compressions exerted by growing cysts. To begin with, we designed an open microfluidic chip made in a transparent thermoplastic and composed of a central microchamber in which tubes spaced of 100 µm or 200 µm were molded in collagen I. Tubes were coated with laminin, a basal membrane protein mainly expressed in nephrons. To mimic the ADPKD, we seeded those tubes with a cellular model of the disease (Pkd1-/-), displaying an adherence reduction and an apico-basal polarity impairment in 2D compared to the control cells, and proliferating twice faster. In the tubes, we observed that both cell lines form a confluent monolayer of cuboidal cells before filling the tubes. Control cell line form a minimal tube deformation, while Pkd1-/- cells induce a significant tube distortion, in line with the preliminary steps of cyst formation. Furthermore, intertubular distance half reduced to 100 µm favours tubes interplay after their dilation. This device is a powerful tool to investigate mechanical and chemical interplays between tubes. Thus, this innovative kidney-on-chip promotes early tubular deformations, and will be a model to study the mechanisms involved in the cystogenesis.