Construction de tissu de type intestin grêle multicouches en reproduisant le flux interstitiel

Reconstitution multi-couche du système intestinal microscopique reproduisant le flux stromal

Contexte de la recherche

Ces dernières années, la construction de modèles in vitro de l’intestin grêle humain a fait des progrès significatifs, mais reproduire pleinement sa structure complexe et ses caractéristiques fonctionnelles reste un défi. L’objectif des modèles de tissu intestinal microscopique est de créer des systèmes tissulaires applicables à l’étude du métabolisme des médicaments et des maladies infectieuses, tandis que les méthodes traditionnelles n’ont pas réussi à réaliser la stratification et la maturation de la structure de l’intestin grêle. L’équipe de recherche a supposé que le flux stromal, entraîné par la circulation plasmatique au cours de l’embryogenèse, pourrait être la clé de la formation de ces structures complexes. Pour mieux simuler ce processus, le professeur Deguchi Sayaka et ses collègues ont utilisé des cellules souches pluripotentes humaines (PSC) et, en reproduisant le flux stromal dans un dispositif microfluidique, ont reconstruit un tissu multi-couche similaire à l’intestin fœtal humain.

Origine de la recherche

Cette recherche a été dirigée par le professeur Deguchi Sayaka du CiRA (Centre pour l’application des cellules souches pluripotentes induites) de l’Université de Kyoto, en collaboration avec le professeur Takayama Kazuo. L’équipe d’auteurs comprend des chercheurs de l’Université de Kyoto, de l’Université de Ritsumeikan, de l’Agence japonaise pour la recherche et le développement médicaux, entre autres institutions. Leurs résultats ont été publiés dans la revue « Cell Stem Cell » en date du 5 septembre 2024.

Processus de recherche

Conception et méthodes de la recherche

Cette étude a utilisé des PSC comme sujet de recherche, utilisant la technologie des microfluides et induisant, sous certaines conditions, la différenciation des PSC en cellules épithéliales intestinales et non épithéliales. Le processus principal est le suivant :

1. Différenciation des PSC : Tout d’abord, les PSC différenciées sont injectées dans la partie supérieure d’un dispositif microfluidique à pores, et sont traitées avec une série de facteurs (tels que l’Activin A, le FGF2, etc.) pour les inciter à se différencier en cellules épithéliales et non épithéliales de l’intestin grêle.
2. Simulation du flux stromal : En utilisant le canal inférieur du dispositif microfluidique, le milieu de culture est lentement circulé à un taux spécifique pour simuler le flux stromal entraîné par la circulation plasmatique. La simulation numérique montre que la vitesse de flux est extrêmement faible, ressemblant à un écoulement sans cisaillement, ce qui favorise efficacement la formation auto-organisée du tissu intestinal.
3. Construction du tissu : Entre le cinquième et le vingt-quatrième jour, le flux du milieu de culture dans le canal inférieur est maintenu. Pendant cette période, les cellules épithéliales forment progressivement une structure tridimensionnelle semblable à des villosités intestinales, tandis que le côté basal voit l’alignement des cellules mésenchymateuses, conduisant progressivement à la construction d’un tissu multi-couche.

Nouveau dispositif expérimental

L’équipe de recherche a conçu un nouveau dispositif microfluidique. Ce dispositif se compose de deux couches de canaux, séparées par une membrane de polyéthylène téréphtalate microporeuse, isolant l’environnement de culture cellulaire supérieur du flux stromal inférieur, simulant ainsi l’environnement de flux stromal in vivo. De plus, l’équipe a optimisé à l’aide de simulations numériques la vitesse de flux dans le canal inférieur pour obtenir un flux sans cisaillement, favorisant ainsi le processus d’auto-assemblage tissulaire des PSC.

Résultats de la recherche

Génération de tissu intestinal multi-couche

L’analyse expérimentale a permis à l’équipe de recherche de générer avec succès une structure tissulaire semblable à l’intestin fœtal humain, comprenant la structure en couches de cellules épithéliales et une couche mésenchymateuse située du côté basal. Plus précisément :

• Polarité et stratification des cellules épithéliales : Sous les conditions de flux, les cellules épithéliales générées acquièrent une polarité cellulaire et forment une structure villositaire caractéristique de l’intestin grêle ; des types cellulaires tels que les cellules caliciformes et les cellules de Paneth sont présents.
• Alignement de la couche mésenchymateuse : Par rapport aux conditions statiques, les cellules mésenchymateuses en conditions de flux forment une structure alignée du côté basal, validée par une immunocoloration et une analyse par spectrométrie de masse.
• Distribution de divers types cellulaires : Grâce à la séquence de l’ARN unicellulaire, l’équipe a confirmé que le tissu intestinal généré comprenait divers types cellulaires, tels que les cellules musculaires lisses, les fibroblastes, etc., avec une composition similaire à celle du tissu intestinal fœtal.

Données expérimentales à l’appui

• Analyse de l’expression des gènes et des protéines : Des analyses par qPCR et protéomique ont révélé que l’expression des marqueurs spécifiques à l’intestin grêle a significativement augmenté en environnement de flux stromal, y compris des marqueurs épithéliaux intestinaux tels que la Villine et la Sucrase-Isomaltase.
• Test de perméabilité : Pour les applications liées à l’absorption médicamenteuse et à l’infection virale, l’équipe a utilisé du dextran marqué au FITC pour tester la perméabilité du tissu, révélant que l’environnement de flux stromal offre une meilleure fonction de barrière.
• Activité enzymatique métabolique des médicaments : Sous conditions de flux, les cellules du tissu manifestent une activité enzymatique métabolique des médicaments plus élevée (tels que CYP, UGT, SULT), démontrant le potentiel du modèle dans la recherche sur le métabolisme des médicaments.

Application du modèle d’infection virale

L’équipe de recherche a testé la réponse de ce modèle à l’infection par le coronavirus humain 229E. L’expérience a montré que l’efficacité de l’infection virale de la partie apicale est significativement supérieure à celle de la partie basale ; sous conditions de flux, les cellules montrent une expression plus élevée de ANPEP (récepteur du coronavirus), principalement concentrée à l’extrémité apicale de la surface épithéliale, suggérant que le modèle reproduit plus fidèlement le mécanisme infectieux viral dans l’intestin humain.

Conclusion et valeur de la recherche

Ce système intestinal microscopique reproduit non seulement avec succès la structure tridimensionnelle multi-couche de l’intestin grêle, mais atteint également une polarité épithéliale et une maturation fonctionnelle, constituant un modèle puissant de l’intestin humain. Il a de vastes perspectives d’application dans la recherche sur le métabolisme des médicaments et les maladies infectieuses, et peut être utilisé pour étudier la fonction barrière de l’intestin, l’absorption et le métabolisme des médicaments ainsi que les mécanismes moléculaires des infections intestinales. De plus, la structure et la composition cellulaire de ce modèle sont similaires à celles du tissu intestinal fœtal, fournissant un outil essentiel pour des recherches plus poussées sur le processus de développement intestinal.

Points forts de la recherche

1. Dispositif microfluidique innovant : La simulation du flux stromal pour promouvoir la maturation et la construction de la structure multi-couche de l’intestin, atteignant ce que les modèles intestinaux actuels ne peuvent réaliser.
2. Structure multi-couche du tissu : Ce système reproduit avec succès la structure multi-couche de l’intestin, offrant un nouveau standard pour les modèles de tissus intestinaux in vitro.
3. Potentiel d’application large : Applicable à la recherche sur le métabolisme des médicaments, l’étude des infections intestinales, aidant à substituer les modèles animaux pour la recherche sur les maladies intestinales humaines.

Résumé et perspectives

Le système intestinal microscopique développé par l’équipe du professeur Deguchi a recréé avec succès la structure multi-couche de l’intestin humain, ouvrant ainsi une nouvelle voie de recherche sur le métabolisme et les infections. A l’avenir, l’équipe de recherche prévoit d’optimiser davantage ce système, en prolongeant le cycle de culture et en variant les conditions de flux pour améliorer la maturité du tissu intestinal, afin d’obtenir un impact plus important dans la recherche sur le développement intestinal et les modèles de maladies humaines.