Analyse en temps réel sur puce électrophysiologique microfluidique de la physiologie des îlots pancréatiques humains primaires et dérivées de cellules souches iPSC

Real-time analysis on electrophysiological microfluidic chips of the physioloogy of primary and iPSC-derived human pancreatic islets

• Auteur / Autrice : Romane Lartigue
• Direction : Matthieu Raoux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Inscription en doctorat le 16/09/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie & de Biologie des Membranes & des Nano-objets
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biologie cellulaire et Biocapteurs

Mots clés

Mots clés libres

Îlot pancréatique

Diabète

IPSC

Électrophysiologie

Microfluidique

Microorgane-sur-puce

Microfluidics

Electrophysiology

Microorgan-on-chip

Pancreatic islet

IPSC

Diabetes

Résumé

Ce projet vise à caractériser, grâce à nos organes-sur-puces, la physiologie de l'îlot pancréatique, un micro-organe clé de la régulation glycémique et du diabète. L'étude portera sur les îlots humains primaires et issus d'iPSC avec et sans variants génétiques d'intérêt. Les îlots pancréatiques sont des micro-organes au cœur de la régulation nutritionnelle et du diabète, une maladie chronique majeure touchant 5-10% de la population et en constante expansion. Les îlots contiennent majoritairement les cellules β sécrétrices de l'insuline, la seule hormone hypoglycémiante. Cette hormone vitale est libérée grâce aux propriétés électriques individuelles et collectives des cellules β. L'activité électrique est modulée par de nombreux facteurs permettant d'adapter la sécrétion d'insuline à chaque instant en fonction du contexte physiologique et des besoins. La greffe des îlots humains constitue une des thérapies du diabète de type 1, dans lequel les cellules β sont détruites par réaction auto-immune. Cependant les îlots humains sont récupérés post-mortem, ce qui limite les greffes et la recherche sur les îlots humains. C'est ainsi que la plupart des connaissances fonctionnelles sur les îlots proviennent du rongeur, dont la physiologie générale et les îlots ont des caractéristiques différentes de l'homme. Des études fonctionnelles plus approfondies sur les îlots humains sont donc indispensables. Les îlots humains dérivés de cellules souches iPSC constituent une alternative prometteuse aux îlots humains, à la fois pour les greffes et la recherche. Elles ouvrent aussi la possibilité d'introduire ou de corriger des variants génétiques d'intérêt par édition génomique afin de mieux comprendre leur impact fonctionnel dans ces micro-organes. Les protocoles de genèse des îlots dérivés d'iPSC sont de plus en plus prometteurs mais nécessitent encore des caractérisations fonctionnelles détaillées. Des études fonctionnelles approfondies apparaissent donc nécessaires sur les îlots humains à la fois primaires et issus d'iPSC. Les outils fonctionnels disponibles actuellement sont cependant pour la plupart limités : (i) soit par leur résolution temporelle (ELISA, imagerie dynamique), (ii) soit en étant trop invasives et empêchant les investigations physiologiques longues et réalistes. Dans cette perspective, nous avons développé de manière transdisciplinaire une approche d'îlots-sur-puces électrophysiologiques en microfluidique unique au monde permettant des investigations fonctionnelles à très haute résolution temporelle (10'000 mesures / s), sur plusieurs îlots humains en même temps et de manière non invasive pour atteindre des durées d'enregistrement de plusieurs jours voire semaines. Le projet de thèse porte sur la combinaison des îlots humains, natifs et issus d'iPSC, avec nos puces microfluidiques dans le but de caractériser pour la 1re fois ces micro-organes en temps réel de manière détaillée et au travers de protocoles reproduisant fidèlement les variations de nutriments et neurohormonales physiologiques. En collaboration avec des automaticiens (J Cieslak, IMS, UMR CNRS 5218 Bordeaux), des modèles mathématiques du fonctionnement multicellulaire des îlots humains seront établis et permettront notamment de générer des nouveaux algorithmes inspirés du vivant pour piloter les pompes à insuline chez les patients diabétiques, qui pourront être testés in silico dans un simulateur humain de référence approuvé par la FDA (UVA-PADOVA T1DMS). L'approche permettra de savoir quelles caractéristiques fonctionnelles les îlots primaires et issus d'iPSC partagent ou non afin d'améliorer les protocoles de différenciation en vue des futures thérapies cellulaires. L'introduction de variants génétiques par CRIPR-Cas9 dans les iPSC par nos collaborateurs de l'Université Libre de Bruxelles (M Cnop) permettra enfin de caractériser fonctionnellement ces variants afin de mieux comprendre la génétique complexe de cette pathologie en vue d'une médecine personnalisée.

The PhD project aims to characterize with our organs-on-chips the physiology of human pancreatic islets that are key micro-organs in glycemic regulation and diabetes. The study will focus on primary human islets and iPSC-derived human islets with and without genetic variants of interest. Pancreatic islets are pivotal micro-organs in the regulation of nutrient homeostasis and diabetes, a major chronic disease affecting 5-10% of people worldwide and constantly expanding. The islets mainly contain β cells that secrete insulin, the only hypoglycemic hormone. The release of this vital hormone depends on the individual and collective electrical properties of β cells, which are also modulated by non-β islet cells. Their electrical activity is also regulated by numerous factors in order to adapt insulin secretion at each moment according to the physiological context and needs. Human islet transplantation constitutes one of the therapies for type 1 diabetes, in which β cells are destroyed by an autoimmune reaction. Nevertheless, human islets are only obtained post-mortem, which limits both transplantations and research on human islets. Thus, most functional knowledge about islets comes from rodent studies, whose general physiology and islets have characteristics very different from human. More in-depth functional studies on human islets are therefore required. Human islets derived from induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) provide a promising alternative to human islets, for both transplantation and research. They also open the possibility of introducing or correcting genetic variants of interest by genome editing in order to better understand the functional impact of these variants in human islets behavior. The protocols used to generate iPSC-derived islet are increasingly promising but still require detailed functional characterizations. In-depth functional studies therefore appear necessary on both primary and iPSC-derived human islets. Nonetheless, the functional tools currently available are generally limited: (i) either by their temporal resolution (ELISA, dynamic imaging), (ii) and/or by being too invasive and preventing long and realistic physiological investigations. In this perspective, we have developed in a transdisciplinary way an electrophysiological islets-on-chip approach in microfluidics allowing functional investigations at very high temporal resolution (10,000 measurements / s), on several human islets at the same time, and that is non-invasive permitting recording times of several days or even weeks. The thesis project focuses on the combination of human islets, native and derived from iPSCs, with our microfluidic chips with the aim of characterizing for the first time these micro-organs in real time in a detailed manner and through protocols faithfully reproducing the physiological nutrients and neurohormonal variations. In collaboration with automation and control systems engineers (J Cieslak, IMS, UMR CNRS 5218 Bordeaux), mathematical models of the multicellular functioning of human islets will be established and will permit to generate new bioinspired algorithms to control insulin pumps in diabetic patients. These algorithms will be tested in silico in a reference human simulator approved by the FDA (UVA-PADOVA T1DMS). The approach will permit to know which functional characteristics primary and iPSC-derived islets share or not in order to improve differentiation protocols for future cell therapies. The introduction of genetic variants by CRIPR-Cas9 into iPSCs by our collaborators at the Université Libre de Bruxelles (M Cnop) will finally permit to characterize these variants in a functional point of vue in order to better understand the complex genetics of this pathology for future personalized medicine.