Modèles de vaisseaux sanguins sur puce pour l'étude des fonctions de la barrière endothéliale

Blood vessels on chip models for the study of endothelial barrier functions

• Auteur / Autrice : Elise Delannoy
• Direction : Fabrice Soncin, Dominique Collard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Vincent Thomy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Treizebré, Maria Carla Parrini, Anne-Marie Gué
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julie Gavard, Séverine Le Gac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collagène

Micro-environnement tumoral

Immunologie

Tumeurs -- Vaisseaux sanguins

Perméabilité

Endothélium vasculaire

Cultures cellulaires

Vaisseaux sanguins

Microfluidique

Mots clés libres

Organes-sur-puces

Blood vessel

Hydrogel

Microfluidics

Vascular permeability

Cancer

Immunology

Résumé

Les vaisseaux sanguins sont centraux pour le traitement de nombreux cancers. D’une part, ils forment un obstacle au passage efficace des thérapies de la circulation sanguine vers les tumeurs solides. D’autre part, ils sont également à l'origine de la formation de nouveaux vaisseaux via l'angiogenèse, un processus qui favorise le développement des tumeurs et qui est la cible de plusieurs thérapies anticancéreuses actuellement utilisées en clinique. Le microenvironnement tumoral joue un rôle essentiel dans la morphologie des vaisseaux. En particulier, la composition et les propriétés physiques de la matrice extracellulaire et les cellules périvasculaires orientent fortement la physiologie des cellules endothéliales et influencent la perméabilité de la barrière vasculaire. Dans le cadre de l’inflammation, l’hyperperméabilité vasculaire est un problème de santé publique et constitue un effet secondaire bien connu de certains traitements anti-cancéreux.Pour étudier ces phénomènes vasculaires, nous proposons un nouveau modèle combinant la microfabrication, l’ingénierie tissulaire et les technologies microfluidiques. Ces techniques allient les approches de culture cellulaire en 3D et de perfusion, permettant de construire des organes-sur-puce. Nous avons conçu des dispositifs de vaisseaux-sur-puce dans lesquels un canal initial est créé dans un hydrogel à base de collagène en utilisant une approche microfluidique qui repose sur les propriétés de viscosité du collagène. Ce canal initial, qui constitue la future lumière du vaisseau, est ensuite ensemencé avec des cellules endothéliales primaires humaines qui forment alors une monocouche confluente et cohésive, de manière à reproduire la face interne d'un vaisseau sanguin. Cette technique peut être réalisée une seule ou deux fois et permet ainsi de varier, à façon, le diamètre du vaisseau final et aussi de créer une double couche cellulaire. L’intégrité de la barrière endothéliale a été étudiée par l'évaluation de la qualité de la répartition de la vascular endothelial-cadherin au niveau des jonctions adhérentes et de zona-occludens-1 pour les jonctions serrées. D'autre part, la perméabilité de l’endothélium a été étudiée par la mise en place d'une approche de vidéomicroscopie pour quantifier la diffusion en temps réel d'un dextran-fluorescent à travers l'endothélium des vaisseaux. La capacité d’activation des cellules endothéliales par des cytokines pro-inflammatoires et leur capacité à induire l'adhérence de cellules immunitaires et de cellules cancéreuses à la face interne de la lumière des vaisseaux ont été évaluées. L’approche biomimétique de ce modèle a été enrichie en formant deux couches cellulaires distinctes et concentriques constituées de cellules endothéliales et de fibroblastes périvasculaires afin d'approcher encore plus fidèlement la structure et la composition d'un vaisseau sanguin naturel et d'observer l’influence des interactions entre les deux types cellulaires sur la perméabilité des vaisseaux. Ainsi, la présence de fibroblastes périvasculaires renforce significativement la barrière endothéliale, notamment en réponse à la thrombine. Ces vaisseaux-sur-puce sont conçus dans un format standardisé de plaque multi-puits dans le but d'être utilisés pour le criblage robotisé et à haut débit de médicaments.Les dispositifs microfluidiques sont un tournant technologique pour répondre à des questions biologiques complexes. Ils visent à combler le fossé entre des tests 2D in vitro trop simples et des modèles animaux coûteux, chronophages et spécifiques aux espèces. Nous proposons ici un dispositif adapté au criblage de molécules effectrices de l’activation et de la perméabilité vasculaire, notamment dans le cadre des traitements anti-cancéreux.

Blood vessels are key elements to the treatment of many cancers. On the one hand, they form an obstacle to the effective passage of therapies from the bloodstream to solid tumors. On the other hand, they are also responsible for the formation of new vessels via angiogenesis, a process that promotes tumor development and is the target of several cancer therapies currently used in clinics. The tumor microenvironment plays an essential role in the morphology of vessels. In particular, the composition and physical properties of the extracellular matrix and perivascular cells strongly orient the physiology of endothelial cells and influence the permeability of the vascular barrier. In the context of inflammation, vascular hyperpermeability is a public health concern and is a well-known side effect of some cancer treatments.To study these vascular phenomena, we propose a new model combining microfabrication, tissue engineering and microfluidic technologies. These techniques couple 3D cell culture and perfusion approaches, making it possible to build organs-on-a-chip. We have designed vessel-on-chip devices in which an initial channel is created in a collagen-based hydrogel using a microfluidic approach that relies on the viscosity properties of collagen. This initial channel, which constitutes the future lumen of the vessel, is seeded with human primary endothelial cells which then form a confluent and cohesive monolayer, so as to reproduce the internal face of a blood vessel. This technique can be carried out once or twice and thus makes it possible to change, as required, the diameter of the final vessel and also to create a double cell layer. The integrity of the endothelial barrier was studied by evaluating the quality of the distribution of the vascular endothelial-cadherin at the level of the adherens junctions and of zona-occludens-1 for the tight junctions. On the other hand, the permeability of the endothelium was studied by setting up a videomicroscopy approach to quantify in real-time the diffusion of a fluorescent dextran through the endothelium of the vessels. The ability to activate endothelial cells by pro-inflammatory cytokines and their ability to induce the adhesion of immune cells and of cancer cells to the inner surface of the lumen of the vessels were evaluated. The biomimetic approach of this model was enriched by forming two distinct and concentric cell layers made up of endothelial cells and perivascular fibroblasts in order to more closely mimic the structure and composition of a natural blood vessel and to observe the influence of interactions between the two cell types on the permeability of vessels. The presence of perivascular fibroblasts significantly strengthens the endothelial barrier, in particular in response to thrombin. These vessels-on-a-chip are designed in a standardized multi-well plate format for use in robotic and high-throughput drug screening.Microfluidic devices are a technological turning point for answering complex biological questions. They aim to bridge the gap between overly simple 2D in vitro tests and expensive, time-consuming, species-specific animal models. We propose here a device suitable for screening molecules that modulate vascular activation and permeability, particularly in the context of anti-cancer treatments.