Développement d'un test toxicologique utilisant des modèles cellulaires 3D et un criblage à haut contenu basé sur la technologie soSPIM

Development of a toxicology assay using 3D cellular models and soSPIM-based high content screening

• Auteur / Autrice : Ihssane Idrissi
• Direction : Jean-Baptiste Sibarita
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Bioimagerie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 18/11/2025
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Interdisciplinaire de Neurosciences
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Imagerie quantitative de la cellule
• Jury : Président / Présidente : Pierre Nassoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste Sibarita, Charlotte RIVIèRE, Corinne Lorenzo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte RIVIèRE, Corinne Lorenzo

Mots clés

Mots clés libres

Microscopie à feuille de lumière

Criblage à haut contenu

Sphéroïdes HepaRG

Hépatotoxicité

Cholestase

Analyse quantitative d’images

Light-sheet microscopy

High-Content Screening

HepaRG spheroids

Hepatotoxicity

Cholestasis

Quantitative image analysis

Résumé

Les atteintes hépatiques induites par les médicaments (drug-induced liver injury, DILI) constituent l’une des principales causes de retrait de molécules thérapeutiques, soulignant l’urgence de développer des tests in vitro prédictifs et physiologiquement pertinents. Les cultures cellulaires tridimensionnelles (3D) se sont imposées comme des modèles prometteurs pour le criblage de médicaments et les tests de toxicité, car elles reproduisent plus fidèlement l’architecture et les fonctions tissulaires que les systèmes bidimensionnels (2D) conventionnels. Toutefois, leur intégration dans des approches de criblage à haut contenu (HCS) reste limitée par plusieurs défis majeurs, notamment la standardisation et la parallélisation des cultures, la réduction des manipulations entre les étapes de culture et d’imagerie, ainsi que le développement de méthodes d’imagerie capables de capturer des volumes 3D complets à grande vitesse, avec une photodécoloration et une phototoxicité minimales, tout en restant pleinement compatibles avec les exigences du HCS. Cette thèse vise à établir un pipeline HCS dédié aux tests d’hépatotoxicité, reposant sur la combinaison de sphéroïdes hépatiques HepaRG, de dispositifs microfabriqués JeWells, de la microscopie à feuille de lumière à objectif unique (soSPIM) et d’outils d’analyse dédiés. L’architecture soSPIM, basée sur des miroirs intégrés à 45°, permet une imagerie 3D rapide et faiblement phototoxique. Combiné aux dispositifs JeWells, constitués de réseaux de cavités pyramidales tronquées, ce système permet la culture parallélisée et l’imagerie standardisée de centaines d’échantillons 3D sur une seule puce, tout en fournissant des mesures morphologiques quantitatives à l’échelle de l’organoïde individuel. À titre de preuve de concept, nous avons modélisé la cholestase médicamenteuse sur des sphéroïdes HepaRG âgés de 7 jours, cultivés dans des dispositifs JeWells. Les sphéroïdes ont été exposés à des composés de référence, dont la chlorpromazine et l’indométacine, puis imagés sur la plateforme soSPIM-HCS après immunomarquage, et analysés pour des marqueurs nucléaires, cytosquelettiques et de transporteurs hépatobiliaires. Nous avons démontré la capacité de cette plateforme à détecter à la fois des altérations morphologiques et des déficits fonctionnels caractéristiques de la cholestase dans des organoïdes hépatiques. Dans l’ensemble, ce travail établit un cadre méthodologique intégrant culture 3D standardisée, imagerie 3D avancée et analyse automatisée dans un pipeline unique dédié à l’évaluation de l’hépatotoxicité. Au-delà de l’étude de la cholestase, cette plateforme ouvre la voie à de plus larges applications des tests basés sur les organoïdes 3D en pharmacologie et en toxicologie.

Drug-induced liver injury (DILI) remains a major cause of drug withdrawal, highlighting the urgent need for predictive and physiologically relevant in vitro assays. Three-dimensional (3D) cell cultures have emerged as promising models for drug screening and toxicity testing, as they better reproduce tissue architecture and function compared to conventional two-dimensional (2D) systems. However, their integration into high-content screening (HCS) still faces important challenges, including the standardization and parallelization of culture, the minimization of handling steps between culture and imaging, and the development of imaging methods capable of capturing complete 3D volumes with high speed and minimal photobleaching and phototoxicity, while remaining fully compatible with HCS requirements. This PhD project aims to establish a dedicated HCS pipeline for hepatotoxicity assays using HepaRG liver spheroids, microfabricated JeWells culture devices, single-objective light-sheet fluorescence microscopy (soSPIM), and dedicated analysis tools. The soSPIM architecture, based on integrated 45° mirrors, enables high-speed, low-phototoxic 3D imaging. Combined with JeWells devices, arrays of truncated pyramidal-shaped cavities, it allows the parallelized culture and standardized imaging of hundreds of 3D samples within a single chip, providing quantitative morphological readouts at the single-organoid level. As a proof of concept, we modeled drug-induced cholestasis on 7-day-old HepaRG spheroids cultured in JeWell devices. Spheroids were exposed to reference compounds, including chlorpromazine and indomethacin, imaged on the soSPIM-HCS platform after immunolabelling, and analyzed for nuclear, cytoskeletal, and hepatobiliary transporter markers. We demonstrated the ability of this platform to capture both morphological disruptions and functional impairments characteristic of cholestatic injury in liver organoids. Overall, this work establishes a methodological framework integrating standardized 3D culture, advanced 3D imaging, and automated analysis into a single HCS pipeline for hepatotoxicity assessment. Beyond the case study of cholestasis, this platform paves the way for broader applications of 3D organoid-based assays in drug discovery and toxicology.