Modélisation de l'Espace de Disse sur Puce pour l'Étude de la Toxicité Hépatique et de l'Inflammation

Space of Disse on Chip Model for Study of Hepatic Toxicity and Inflammation

• Auteur / Autrice : Ana Mesić
• Direction : Bruno Le Pioufle, Jean-Charles Duclos-Vallée, Sakina Bensalem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 15/04/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdul Barakat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Descroix, Séverine Le Gac, Thierry Tordjmann, Franck Chollet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Descroix, Séverine Le Gac
• DOI : 10.70675/4c19917ez1d50z4ac8za1a5zd5c8d942f244

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Génie tissulaire

Hépatotoxicité

Biomatériaux

Pharmacologie moléculaire

Mots clés libres

Foie sur puce

Microfluidique

Ingénierie tissulaire

Hépatotoxicité

Matériaux biocompatibles

Vascularisation

Liver on Chip

Microfluidics

Tissue engineering

Hepatotoxicity

Biocompatible materials

Vascularization

Résumé

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le cadre du projet ANR DILI on Chip, qui vise à développer un modèle hépatique in vitro sur une puce microfluidique afin d'étudier les lésions hépatiques induites par les médica-ments (Drug-Induced Liver Injury, DILI).Le développement actuel des médicaments repose sur des modèles obsolètes, tels que les cultures cellulaires 2D et les tests in vivo, qui sont coûteux, inefficaces et incapables de prédire avec précision la toxicité hépa-tique. La technologie des organes-sur-puce basée sur la microfluidique constitue une alternative plus précise et dynamique, permettant de mieux reproduire l'environnement physiologique du foie. L'espace de Disse, une interface critique entre les cellules parenchymateuses hépatiques,appelées hépatocytes (HepaRG), et les cel-lules endothéliales sinusoïdales, joue un rôle clé dans la fonction hépatique et les échanges moléculaires. Il s'agit également de la structure principalement affectée par la pathologie DILI. Malgré les avancées technolo-giques, la reproduction de l'espace de Disse reste un défi en raison de sa taille, de la séparation cellulaire précise qu'il requiert, des stimuli biochimiques impliqués et de la nécessité de reproduire une matrice extra-cellulaire physiologique. Bien que prometteuses, les approches actuelles utilisant des membranes, des hydro-gels, des échafaudages ou des canaux microfluidiques standards peinent encore à recréer fidèlement cette structure de manière biomimétique. L'amélioration de ces modèles est essentielle pour optimiser le criblage des médicaments, les études absorption, distribution, métabolism et excrétion (ADME) et l'identification des marqueurs de dommages hépatocytaires.Cette thèse propose un nouveau modèle de l'espace de Disse sur une puce. Les travaux de recherche se sont déroulés en quatre étapes : la conception et la validation de la puce, le choix de l'hydrogel, la culture cellulaire et l'application du modèle. Le modèle développé intègre un hydrogel biocompatible, le sodium alginate, qui imite la matrice extracellulaire du foie humain. Cette conception permet la coculture dynamique de cellules humaines endothéliales sinusoïdales et d'hépatocytes (HepaRG), aboutissant à une amélioration significative de l'activité et de la fonctionnalité hépatiques, comparée aux modèles in vitro en monoculture. L'étude toxicologique du paracétamol sur ce modèle montre une diminution de la viabilité cellulaire, de la fonctionnalité et de l'activité métabolique, en accord avec les études précédentes. De plus, le modèle permet le suivi des réponses immunitaires grâce à l'intégration de macrophages exposés au lipopolysaccharides, offrant ainsi la possibilité d'étudier dynamiquement l'inflammation et les interactions pathogènes. Ce modèle 3D multicellulaire constitue une plateforme physiologiquement plus pertinente pour l'étude des maladies hépatiques et le criblage de médicaments, apportant de nouvelles perspectives sur la fonction hépatique et les réponses immunitaires.

This doctoral thesis is part of the Drug-Induced Liver Injury (DILI) on Chip ANR project, which aims to develop an in vitro hepatic model on a microfluidic chip to study drug-induced liver injury.Current drug development relies on outdated models like 2D cell cultures and in vivo testing, which are ex-pensive, inefficient and fail to accurately predict liver toxicity. Microfluidic organ-on-chip technology offers a more precise and dynamic alternative to better mimic the liver's physiological environment. The space of Disse, a critical interface between liver parenchymal cells, hepatocytes, and sinusoidal endothelial cells, plays a key role in liver function, molecular exchange and is the structure majorly impacted by the DILI pathology. Despite advancements, replicating the space of Disse remains a challenge due to its size, precise cell separa-tion, biochemical stimuli and extracellular matrix replication. Despite their potential, current approaches using membranes, hydrogels, scaffolds, or standard microfluidic channels still struggle to fully recreate this struc-ture in a biomimetic fashion. Improving these models is crucial for enhancing drug screening, ADMET studies, and understanding indicators of hepatocellular damage.This doctoral thesis presents a novel model of space of Space of Disse on a chip. The research progressed through four stages: chip design and testing, hydrogel screening, cell culture, and model application. The developed model integrates a biocompatible hydrogel, sodium alginate, which mimics the extracellular matrix (ECM) of the human liver. This enables the dynamic co-culture of human liver sinusoidal endothelial cells (LSEC) and hepatocytes (HepaRG), resulting in enhanced hepatic activity and functionality, a significant im-provement in comparison to monoculture in vitro models. Toxicological study of paracetamol on the model shows decrease in cell viability, functionality and metabolic activity, as shown in previous studies. The model also allows tracking of immune responses through macrophages in response to lipopolysaccharide, enabling dynamic studies of inflammation and pathogen interaction. This multi-cellular, 3D model offers a more phys-iologically relevant platform for liver disease modeling and screening, providing new insights into hepatic function and immune responses