Développement d'un modèle d'adipocytes-sur-puce pour étudier les interactions foie/tissu adipeux au cours de la progression de la stéatose hépatique

Development of fat-on-chip model to study liver/fat tissue interactions during NAFLD progression

• Auteur / Autrice : Augustin Brassens
• Direction : Rachid Jellali, Eric Leclerc
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Bioingénierie
• Date : Inscription en doctorat le 15/11/2023
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et bioingénierie

Mots clés

Mots clés libres

Stéatose hépatique

Foie

Adipocytes

Culture 3D

Coculture

Organ-sur-puce

Coculture

Ogan-on-chip

3D cell culture

Adipocytes

Nafld

Liver

Résumé

La stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) est la maladie du foie la plus fréquente. Aujourd'hui, on estime qu'environ 24% des adultes européens développent une stéatose, 10 à 30% d'entre eux évolueront vers la stéato-hépatite (NASH), parmi lesquels 10 à 15% développeront la fibrose/cirrhose et l'hépatocarcinome du foie. La prévalence de la NAFLD augmente à 57 % chez les sujets obèses, 70 % chez les sujets diabétiques et 90 % chez les personnes obèses morbides. Bien que le régime alimentaire ait été identifiée comme une des causes, l'origine, les mécanismes impliqués et la progression de la NAFLD ne sont toujours pas bien connus. Comme la NAFLD est une maladie systémique, il est important de tenir compte des interactions entre les différents organes impliqués dans la progression de la maladie. Parmi ces organes, les tissus adipeux sécrètent des acides gras libres et des hormones, appelés adipokines, et semblent jouer un rôle majeur dans le développement de la NAFLD. À notre connaissance, il n'existe pas de modèles de culture 2D 'classique' qui récapitulent les interactions foie/tissu adipeux. En outre, les études sur les animaux ne parviennent pas à produire des données extrapolables à l'homme. Dans ce contexte, nous proposons une stratégie d'organe sur puce permettant de reproduire les interactions foie/tissue adipeux. Depuis plusieurs années, le laboratoire BMBI développe des modèles de foie sur puce en utilisant des lignées cellulaires et des hépatocytes primaires (humain, rat). BMBI collabore avec le LIMMS (Université de Tokyo), qui développe des modèles de foie-sur-puce multicellulaires sains et pathologiques, en utilisant des hiPSCs. Les deux laboratoires ont également développé, dans un projet commun, un modèle d'organe sur puce foie/pancréas pour étudier le diabète de type 2. Le présent projet de doctorat sera axé sur le développement d'un modèle d'adipocyte sur puce. La première partie de la thèse concernera l'optimisation des conditions de culture des cellules adipeuse, ainsi que le système microfluidique, pour assurer une bonne fonctionnalité biologique du modèle. À cette fin, des lignées d'adipocyte seront cultivées en sphéroïdes dans une puce microfluidique. Pour optimiser le modèle, nous étudierons l'influence de plusieurs paramètres : taille des sphéroïdes, densité d'inoculation des sphéroïdes, conception de la puce microfluidique et le débit de perfusion. Ensuite, des adipocytes primaires humain seront utilisés pour proposer un modèle pertinent d'adipocytes sur puce. Cette thèse est financée par le 'Programme conjoint PHD appel Université de Tokyo et CNRS'. Dans le cadre de ce programme, un deuxième doctorant développera des modèles de foie sur puce sain et stéatosique à Tokyo (LIMMS). Le couplage des deux organes, foie sur puce (développé à Tokyo) et adipocytes sur puce (développé à Compiègne) sera réalisé lors de visites d'échange entre BMBI et le LIMMS. Cela permettra d'étudier les interactions entre tissue adipeux et foie sain et pathologique.

Among metabolic diseases, non-alcoholic fatty liver disorder (NAFLD) is becoming the most frequent liver disease. Nowadays, it is estimated that around 24% of European adults develop NAFLD, 10-30% of them will evolve to NASH, among which 10-15% will develop fibrosis/cirrhosis and liver hepatocarcinoma. NAFLD prevalence increases to 57% in obese subjects, 70% in diabetic subjects and 90% in morbidly obese people. Although the food was identified as one source, the origin and the sequence of the development of the NAFLD is still controversial. Because NAFLD is systemic disease, the challenges are to consider the interactions between the different organs involved in the disease progression. In fact, the fat accumulation (adipocytes expansion) associated to NAFLD constitutes a serious threat in the disease development. Adipose tissue secretes free fatty acids (FFAs) and hormones, known as adipokines, and thus seems to play a major role in the development of NAFLD. To our knowledge, there is no relevant in vitro human “classical” 2D culture recapitulating the liver/adipose tissue interactions. Furthermore, animal studies fail to produce data that can be extrapolated to human. To address these issues, we propose an organ-on-chip strategy allowing to reproduce the fat and liver crosstalks. BMBI has developed a large panel of liver-on-chip models using cell line and primary hepatocytes. BMBI collaborates also with LIMMS (U Tokyo), which developing healthy and NAFLD multicellular liver-on-chip using hiPSCs. The present PhD project will focus on the development of fat-on-chip model. The first part of the PhD will request to optimize the fat cell culture conditions as well as the microfluidic system, to ensure the biological functionality of the model. For that purpose, adipocyte cell line will be cultured in spheroids in microfluidic biochip. To optimize the model, we will study the influence of several parameters: spheroids size, spheroids inoculation density, biochip design and flow rate. Then, human primary adipocyte will be used to propose relevant human fat-on-chip model. In the framework of the “Joint PHD Programme call University of Tokyo and CNRS”, a second PhD student will develop healthy and NAFLD liver-on-chip model in Tokyo (LIMMS). The connection/crosstalks between the two developed organ-on-chip will be performed/studied during exchange visits between BMBI and LIMMS.