L'intestin grêle est le site principal où nous digérons et absorbons les nutriments et les minéraux des aliments, et c'est aussi un lieu où se produisent de nombreuses infections intestinales et des troubles digestifs et inflammatoires se manifestent. Pour mieux comprendre l'intestin dans ses états normal et pathologique, les chercheurs ont créé des « organoïdes » en isolant des cellules souches intestinales à partir d'échantillons de biopsie humaine. Ces organoïdes forment tous les types cellulaires présents dans l'intestin humain, mais ils se développent sous forme de kystes entourés de gels matriciels extracellulaires épais avec leur surface cellulaire "apicale" (qui est normalement exposée au contenu de l'intestin) faisant face à une lumière fermée. Cela empêche l'étude des processus dynamiques impliquant la barrière intestinale, y compris le transport des nutriments et des médicaments, ainsi que ses interactions avec le microbiome. En outre, les organoïdes n'ont pas de système vasculaire et les mouvements mécaniques causés par le péristaltisme et la circulation sanguine normaux, qui sont vitaux pour de nombreux processus dans l'intestin, y compris sa régénération et son contrôle de la prolifération bactérienne.

Afin de surmonter ces limitations, une équipe du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dirigée par son directeur fondateur, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., avait précédemment conçu un dispositif de culture microfluidique "Organ-on-a-Chip" (Organ Chip) dans lequel des cellules d'une lignée cellulaire intestinale humaine isolée à l'origine d'une tumeur étaient cultivées dans l'un des deux canaux parallèles, séparés par une membrane enduite de matrice poreuse des cellules endothéliales dérivées de vaisseaux sanguins humains dans le canal adjacent. Bien que cette puce intestinale humaine ait recréé l'épithélium des villosités de l'intestin normal et ait permis de mieux comprendre comment le flux et le péristaltisme cyclique affectent la différenciation et la fonction intestinales, il ne pouvait pas être utilisé pour étudier des processus qui reposaient sur des cellules intestinales normales provenant de donneurs individuels, lequel, par exemple, est cruciale pour étudier les réponses spécifiques au patient pour la médecine personnalisée.

Dans une nouvelle étude, Publié dans Rapports scientifiques , L'équipe d'Ingber supprime désormais ces barrages routiers. « Nous sommes maintenant en mesure de tirer parti de l'approche organoïde pour isoler les cellules souches intestinales à partir de biopsies humaines, mais nous décomposons les organoïdes et cultivons les cellules spécifiques au patient dans nos Organ Chips où elles forment spontanément des villosités intestinales orientées vers la lumière du canal, et l'épithélium en apposition étroite avec l'endothélium microvasculaire intestinal humain, " dit Ingber, qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School (HMS) et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, ainsi que professeur de bio-ingénierie à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard. "Cette approche présente un nouveau tremplin pour l'investigation des processus normaux et liés à la maladie d'une manière hautement personnalisée, y compris le transport des nutriments, digestion, différents troubles intestinaux, et les interactions intestinales avec les microbes commensaux ainsi que les agents pathogènes. »

L'équipe a collaboré avec le laboratoire de David Breault au Boston Children's Hospital pour intégrer une étape de culture organoïde dans leur procédure pour isoler les cellules souches intestinales normales et augmenter leur nombre de cellules. Les organoïdes résultants pourraient être soit mis en banque pour une utilisation future, soit immédiatement fragmentés et ensemencés dans les canaux « épithéliaux » de plusieurs puces d'organes où ils étaient encore mûris en faisant circuler un milieu de culture spécialisé et en appliquant une stimulation mécanique aux canaux pour imiter les mouvements physiologiques du péristaltisme. La maturation de l'épithélium en un épithélium intestinal de villosités avec de longues extensions en forme de doigt a été facilitée par la co-culture de cellules endothéliales microvasculaires intestinales humaines sur le côté opposé de la membrane poreuse recouverte de matrice commune dans le canal "vasculaire" où elles ont assemblé un sang de substitution. récipient avec une lumière creuse à travers laquelle le milieu d'alimentation a été coulé.

Ainsi, combinant deux des technologies les plus avancées dans le domaine de l'ingénierie tissulaire ? culture organoïde et puces d'organes ? a permis la génération de tissus intestinaux et de structures au niveau des organes tapissés de cellules spécifiques du donneur humain avec une morphologie, composition, et une fonction ressemblant fortement à celle de la région duodénale de l'intestin grêle normal. "Parce que la puce primaire de l'intestin grêle récapitule le microenvironnement physique que les cellules connaissent à l'intérieur du corps humain, tels que l'écoulement de fluide et les mouvements d'étirement cycliques de type péristaltisme, il présente un profil d'expression génique à l'échelle du génome qui se rapproche plus de son homologue in vivo que celui des mêmes cellules intestinales cultivées sous forme d'organoïdes 3D, " a déclaré la première auteure Magdalena Kasendra, Doctorat., un ancien boursier postdoctoral dans l'équipe d'Ingber et maintenant scientifique principal à Emulate, Inc. à Boston.

Avec les cellules souches intestinales, l'équipe a identifié des entérocytes différenciés digérant et absorbant les nutriments, Cellules caliciformes productrices de mucus, cellules entéroendocrines sécrétant des hormones, et les cellules de Paneth régulant et détectant le microbiome, et ils ont effectué une série d'analyses qui ont confirmé leurs fonctions. Comme le microenvironnement de l'intestin grêle peut être maintenu pendant des semaines dans des fragments d'organes perfusés en continu, ils permettent des études à court et à long terme dont les observations peuvent être reliées à la santé et à la physiologie des donneurs individuels.

L'équipe d'Ingber applique maintenant la même approche à différentes régions de l'intestin—duodénum, jéjunum, iléon, et le côlon, dont les fonctions et les vulnérabilités aux maladies diffèrent les unes des autres. Cette approche est également utilisée pour désosser des environnements intestinaux encore plus complexes en intégrant d'autres types de cellules, comme les cellules immunitaires, cellules neuronales, et des microbes commensaux dans l'appareil. "À l'avenir, de tels efforts pourraient nous permettre de mieux comprendre les interactions homme-microbiome, modéliser les troubles de la malnutrition et les maladies inflammatoires de l'intestin, et effectuer des tests de dépistage personnalisés, " a déclaré le co-premier auteur Alessio Tovaglieri, un étudiant diplômé du Département des sciences et technologies de la santé de l'ETH Zurich en Suisse, qui réalise sa thèse dans l'équipe d'Ingber.