Développement et caractérisation d'un foie sur puce biomimétique comportant une coculture hépatique 3D avec une barrière endothéliale

Development and characterisation of a biomimetic liver on chip featuring 3D hepatic coculture with an endothelial barrier

• Auteur / Autrice : Taha Messelmani
• Direction : Éric Leclerc, Rachid Jellali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique et Bioingénierie : Unité de Recherche en Biomécanique et Bioingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 13/04/2023
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingénierie / BMBI

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrice extracellulaire

Cellules endothéliales

Endothélium

Cocultures

Génie tissulaire

Criblage pharmacologique

Médicaments -- Toxicologie

Toxicologie

Hépatocytes

Foie

Mots clés libres

Foie-sur-Puce

Biomimétique

Criblage des médicaments

Toxicité

Cellules endothéliales sinusoïdales du foie (LSEC)

Barrière endothéliale

Hydroscaffold

Liver-on-Chip

Biomimetic

Drug screenings

Hydroscaffold

Liver

Liver cells

Organ-on-chip

Cell coculture

Toxicity

Liver Sinusoidal Endothelial Cells (LSEC)

Biochips

Tissue engineering

Endothelium

Endothelial barrier

Extracellular matrix

Résumé

Au cours des programmes de développement de médicaments, des modèles animaux sont utilisés pour évaluer le métabolisme et la toxicité des médicaments. Plusieurs cadres juridiques sont établis pour le remplacement, la réduction et l'amélioration de ces expériences. Le foie est un organe central pour la détoxification des molécules exogènes. Par conséquent, le développement de modèles reproduisant les fonctions du foie reste un objectif ambitieux. Ces dernières années, l'association entre l'ingénierie tissulaire et la technologie des organes sur puce a conduit au développement de modèles alternatifs imitant certaines fonctions hépatiques. L'objectif de ce travail est de développer une plateforme de foie sur puce biomimétique en couplant une biopuce d'hépatocytes et une barrière endothéliale. Dans la première partie, nous avons utilisé la technologie des organes sur puce et un hydroscaffold à base de matrice extracellulaire pour organiser les cellules en 3D. Les sphéroïdes formés ont été caractérisés sur le plan structurel et fonctionnel. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé la formation d'une barrière endothéliale. Nous avons établi les conditions de co-culture et analysé le potentiel du couplage de la barrière endothéliale avec la puce d'hépatocytes pour métaboliser l'APAP. Enfin, nous avons analysé la signature métabolomique de chaque condition, les interactions entre les cellules et identifié la signature métabolique des lésions causées par l'APAP. Dans la dernière partie, nous avons proposé des pistes d'amélioration en utilisant des hépatocytes primaires ou en intégrant la barrière endothéliale et les hépatocytes dans une biopuce bi-comportementalisée.

During drugs development programs, animal models are commonly used for the assessment of the metabolism and toxicity of drug candidates. Several legal frameworks are being settled to promote the replacement, the reduction, and the refinement of these experiments. The liver is a central organ involved in the detoxification of exogenous molecules. Accordingly, the development of models mimicking the functions of the liver remain a challenging objective. Conventionally, liver cells are cultured in vitro in 2D Petri dishes but this conformation leads to a rapid loss of their functions. In recent years, the association between tissue engineering and organ-on-chip technology led to the development of more accurate alternative models that mimic the liver functions. The aim of this thesis is to develop a biomimetic liver-on-chip platform by coupling a hepatocyte biochip and an endothelial-like barrier. The goal is to mimic the passage of molecules through the liver sinusoid endothelial barrier and then their metabolism with the hepatocytes. In the first part, we used organ-on-chip technology and ECM-based hydroscaffold to organise the cells in 3D structures. The potential of our model was compared with static Petri dishes and the spheroids formed were characterised structurally and functionally. In the second part, we characterized the formation of an endothelial barrier and identified specific markers indicating the conservation of the phenotype of endothelial cells. We established the coculture conditions and analysed the potential of coupling the endothelial barrier with the hepatocyte-on-chip to metabolize the APAP as a candidate molecule. Finally, we analysed the metabolomic signature of each condition, crosstalk between the cells, and identified the metabolic signature of APAP injury and described the reactions happening at metabolic level. In the last part, we proposed tracks of improvement by using primary hepatocytes or by integrating the endothelial barrier and the hepatocytes in the same bi-compartmentalized biochip.