Règles génériques d'auto-organisation des organoïdes

Generic self-organisation rules of organoids

• Auteur / Autrice : Linjie Lu
• Direction : Daniel Riveline
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Carine Meignin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yong Chen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Charlotte Rivière, Stéphanie Descroix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure cellulaire (physique)

Technique

Cultures cellulaires

Organoïdes

Mots clés libres

Organoïdes

Lumen

Cavités micro-fabriquées

Nucléation

Fusion

Rotation

Organoids

Lumen

Micro-fabricated cavities

Nucleation

Fusion

Rotation

Résumé

Les organoïdes sont des systèmes prometteurs pour la biologie et la médecine. Ils s’auto-organisent à partir de cellules souches ou progénitrices et adoptent des structures très proches des organes in vivo. Cependant, leurs dimensions et leurs organisations ne sont pas reproductibles, ce qui empêche leur utilisation efficace en recherche fondamentale et dans les applications biomédicales. Dans ce contexte, la thèse a consisté à étudier leurs propriétés d'auto-organisation. Nous avons utilisé des cystes de cellules épithéliales MDCK, des cellules mES et des épiblastes, des sphéroïdes et des organoïdes de pancréas. Tous les systèmes forment des cystes, qui sont des cavités creuses remplies de liquide, appelées lumens, entourés de couches cellulaires. Trois directions ont été explorées au cours de la thèse en étroite collaboration avec un réseau international coordonné par Daniel Riveline (Human Frontier Science Program 2018) : (i) nous avons standardisé la croissance des organoïdes en contrôlant le nombre initial de cellules lors de la préparation des organoïdes ; les cellules ont été piégées dans des cavités micro-fabriquées de dimensions contrôlées, ce qui a permis une observation et un suivi des croissances sur plusieurs jours ; (ii) nous avons comparé la nucléation, la croissance et la fusion des lumens entre 3 systèmes et nous avons décrit les caractéristiques communes et distinctes entre les systèmes ; (iii) nous avons caractérisé la rotation spontanée de doublets MDCK et les mécanismes physiques associés, en les mettant en regard d’autres rotations spontanées rapportées pour des anneaux de cellules MDCK et pour les sphéroïdes de pancréas notamment. Dans l'ensemble, nos travaux à l'interface entre la physique et la biologie montrent que les organoïdes présentent des propriétés génériques d'auto-organisation. Ces travaux ouvrent la perspective de concevoir des organoïdes à façon avec nos nouvelles méthodes et d'atteindre une reproductibilité phénotypique sans précédent.

Organoids represent outstanding systems for biology. They can generate organ-like structures from single stem cells or progenitor cells. However, their dimensions and organisations are not reproducible which prevents their efficient usage in basic research and in biomedical applications. In this context, the PhD work has consisted in studying their self-organisation properties. We used MDCK cysts, mES cells and epiblasts, pancreatic spheres, and organoids. All systems form cysts, which are hollow liquid filled cavities, named lumens, surrounded by cell layers. Three main parts have been explored during the PhD, in close collaboration with an international network coordinated by Daniel Riveline (Human Frontier Science Program 2018) : (i) we standardized organoids growth by controlling the initial cell number at plating; cells were trapped in micro-fabricated cavities of controlled dimensions with efficient tracking and manipulation over days ; (ii) we compared the nucleation, growth and fusion of lumens between 3 systems and we outlined the common and distinct features across systems; (iii) we characterized the spontaneous rotation of MDCK doublets and their physical mechanisms in line with other reported spontaneous rotations in MDCK rings and in pancreatic spheres. Altogether, our work at the Interface between Physics and Biology shows that organoids exhibit robust self-organisation properties. It opens the perspective to design robust organoids with new methods and reach unprecedented reproducibility.