Cerveaux-sur-puces pour l'étude de l'angiogenèse – BrAngioChip

Nous avons exploité deux voies différentes pour créer des tissus neuronaux en 3D. Tout d'abord, nous avons réussi à former spontanément un réseau 3D de neurosphéroïdes différenciés à partir de cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSC) soutenues par des mailles de nanofibres de gélatine sur un substrat avec des micro-compartiments en nid d'abeille. Nous avons également réussi à différencier des hiPSCs en organoïdes cérébraux à partir d'agrégats sphériques de hiPSCs. Les activités électrophysiologiques de ces tissus neuronaux 3D ont été confirmées par les mesures effectuées à l'aide de réseaux d'électrodes à micro-aiguilles en collaboration avec le laboratoire Wolfrum de l'Université technique de Munich. Une couche de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales a été ajoutée au réseau de neurosphéroïdes, montrant une interaction claire entre les neurones, les cellules gliales et les cellules endothéliales. Nous avons ensuite mis au défi la formation in situ d'organoïdes cérébraux sur un substrat conçu pour la vascularisation des organoïdes cérébraux. En développant une maille de nanofibres de gélatine bi-faciale, nous avons réussi à former des organoïdes cérébraux à un stade précoce et avons démontré la co-culture avec des cellules endothéliales microvasculaires cérébrales.

Nous avons développé deux substrats différents de micro-/nano-ingénierie, l'un pour la formation in situ d'organoïdes cérébraux, l'autre pour la croissance spontanée d'un réseau de neurosphéroïdes interconnectés. Les deux structures pluricellulaires ont été obtenues à partir de cellules souches pluripotentes induites humaines et exploitées pour la coculture avec l'endothélium microvasculaire cérébral. En outre, les activités électrophysiologiques des tissus neuronaux en 3D, c'est-à-dire le réseau neurosphéroïde susmentionné et les organoïdes cérébraux conventionnels, ont été mesurées par un réseau d'électrodes à micro-aiguilles en 3D mis au point en collaboration avec un laboratoire de l'Université technique de Munich en Allemagne.

Nous avons franchi plusieurs étapes importantes, mais les objectifs finaux suivants n'ont pas encore été atteints.
- établir un système complet d'observation dynamique de la vascularisation des organoïdes cérébraux
- étudier la vascularisation des organoïdes cérébraux en présence de sphéroïdes de tumeurs cérébrales
- créer une plateforme microfluidique de criblage de médicaments.
Même en tenant compte des difficultés posées par la pandémie de Covid-19, ces objectifs étaient probablement trop ambitieux. Néanmoins, grâce au soutien de l'ANR JCJC, nous avons pu obtenir les bons résultats décrits ci-dessus, qui ont été publiés dans des revues à fort impact (ACS Applied Materials & Interfaces, 2022 et 2023). Heureusement, les progrès réalisés dans ce projet nous ont permis d'obtenir de nouveaux financements (Prématuration PSL/Qlife, Institut Carnot IPGG) et une bourse de thèse (ED 388) pour poursuivre le projet immédiatement après la fin du financement ANR JCJC. Nous essaierons donc d'atteindre les objectifs restants dans les années à venir.

Nous avons publié deux articles dans une revue à fort impact, ACS Applied Materials & Interfaces, l'un sur la formation d'un réseau neurosphéroïde 3D dérivé de hiPSCs et le mimétisme des unités neurovasculaires dans un micro-substrat, l'autre sur le développement d'un réseau d'électrodes à micro-aiguilles 3D et son application pour le réseau neurosphéroïde 3D et les organoïdes de cerveau humain. Le projet a été présenté dans 2 conférences internationales (conférences invitées) et 4 conférences françaises (2 conférences invitées, 2 posters), ainsi que dans 2 conférences japonaises pour les chercheurs japonais à Paris et en Europe, respectivement (conférences invitées).

Nous proposons de développer des technologies microfluidiques d'organes-sur-puce intégrant des organoïdes cérébraux humains pour étudier l'angiogenèse dans le contexte de la vascularisation cérébrale et de l'évolution des tumeurs du cerveau. Trois axes seront développés : i) l'angiogenèse spontanée dans un organoïde cérébral, ii) l'angiogenèse induite par une tumeur en présence /absence d'organoïdes cérébraux et iii) le développement de plateformes de tests de médicaments. Grâce à notre technologie de co-culture cellulaire 3D sur puce, nous pourrons positionner les organoïdes et les sphéroïdes tumoraux au voisinage d'un microvaisseau reconstitué dans une matrice extracellulaire, et caractériser ainsi les mécanismes d'angiogenèse dans des conditions variées. En parallèle, nous développerons un nouveau dispositif microfluidique intégrant un réseau de microélectrodes et permettant d'analyser, de manière non invasive, les effets des médicaments sur l'activité neuronale.