Système avancé de paroi capillaire glomérulaire sur puce – AWACS

Afin de reproduire une barrière de filtration rénale sur une micropuce, l’approche initiale de ce projet est basé sur le développement en parallèle de plusieurs aspects :

(1) Formation d’une membrane en collagène qui va reproduire la membrane basale glomérulaire par un mécanisme d’auto-assemblage inspiré du vivant à l’aide de récepteurs cellulaires et d’enzymes. La formation de cette membrane s’effectue dans un système microfluidique qui permet de créer des compartiments. Cette membrane servira de structure de base pour la culture des cellules sous perfusion.

(2) Obtention de cellules glomérulaires immatures par différenciation de cellules souches pluripotentes induites dans des boites de culture. La maturation des cellules est ensuite réalisée dans le système de culture microfludique et par coculture des cellules obtenues de par et d’autre de la membrane.

(3) Développement et optimisation du système microfluidique pour permettre la génération de compartiments et intégration d’un réseau d’électrodes pour mesurer la perméabilité de la barrière. Le système est optimisé pour l’obtention de compartiments avec des interfaces les plus stables possibles.

(4) Validation de la pertinence de la barrière de filtration ainsi reproduite à l’intérieur de la puce microfluidique dans le cas de conditions d’individu sain et de conditions d’individu souffrant de maladies rénales d’origine connue ou inconnue.

Plusieurs résultats importants ont été obtenu durant ce projet.

Le premier résultat obtenu dans le cadre de ce projet est lié à la formation de la membrane en collagène. Nous avons démontré que l’auto-assemblage du collagène sur différents récepteurs cellulaires est dépendant de la nature de ceux-ci. Les propriétés mécaniques (viscoélastique) de la couche déposée dépendent de ces récepteurs cellulaires mais également des sels (chlorure de calcium) contenus dans la solution de collagène. Des limitations techniques n’ont pas permis de réaliser l’auto-assemblage complet du collagène.

Le second résultat est l’obtention d’une membrane non pas en collagène comme prévu initialement mais en alginate dans le système microfluidique. Des membranes de l’ordre de quelques dizaines de micromètres ont été obtenues grâce à la réalisation de compartiments microfluidiques par l’utilisation d’écoulement laminaires.

Le troisième résultat concerne la différenciation des cellules souches pluripotentes induites en cellules glomérulaires. Nous avons obtenu des cellules qui présentent des caractéristiques proches des cellules glomérulaires sur les aspects de morphologie, d’expression des gènes et d’expression de protéines spécifiques.

Finalement le dernier résultat concerne la reproduction de la barrière de filtration dans un dispositif microfluidique. Il sera nécessaire de bien évaluer la quantité de cellules à utiliser et d’’éviter des aspects compétitifs entre les différents types cellulaires.

A la fin de ce projet, plusieurs perspectives ont été ouvertes. Une des premières perspectives concerne la compréhension des mécanismes d’assemblage et d’interactions du collagène avec les récepteurs cellulaires. La méthodologie développée sera également utilisée pour étudier des interactions entre d’autres récepteurs cellulaires et d’autres protéines de la membrane basale glomérulaire.

L’obtention de cellules ressemblant à des cellules glomérulaires à partir de cellules souches pluripotentes va permettre de reproduire une barrière de filtration glomérulaire dans un dispositif de coculture et de valider la reproduction d’un état physiologique. L’ajout d’un autre type cellulaire (cellules glomérulaires mésangiales ) est également envisagé du fait de leur contribution à la physiologie de la barrière de filtration.

L’étude d’état physiopathologique sera étudié dans le cas de deux maladies rénales d’origine auto-immune avec des anticorps circulant affectant la perméabilité de la membrane afin d’observer comment la perméabilité est affectée.

Par la suite, il sera très important d’utiliser des cellules souches provenant de patients ou patientes souffrant de maladies rénales d’origine génétique afin d’établir des modèles in vitro pathologiques. Cela permettra notamment pour tester des médicaments candidats de maladies généralement sans traitement.

L’augmentation de la prévalence des maladies rénales est un problème majeur de santé publique du fait du coût des traitements au stade terminale de ces maladies (dialyse ou transplantation). Il est donc nécessaire de mieux comprendre les mécanismes physiologiques et physiopathologiques du rein et notamment ceux de la paroi capillaire glomérulaire impliquée dans la première filtration du sang afin de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques. Ce projet interdisciplinaire a pour objectif principal de développer une plateforme microfluidique innovante reproduisant cette paroi. Le but ici est d’adresser la question suivante : peut-on modéliser la physiologie de la paroi capillaire glomérulaire et étudier en temps réel les effets induits la néphropathie extramembraneuse et le syndrome néphrotique idiopathique à l’aide de cette plateforme innovante ? Afin de répondre à cette question biomédicale, la plateforme microfluidique permettra : (i) la génération d’une membrane à partir d’un hydrogel de collagène de type IV mimant la membrane basale glomérulaire, (ii) la différenciation de cellules souches pluripotentes induites en cellules glomérulaires (podocytes et cellules endothéliales) et leur culture de chaque côté de la membrane d’hydrogel et (iii) l’intégration de capteurs associés à une instrumentation permettant de mesurer et de suivre en temps réel, par spectroscopie d’impédance, les modifications physiopathologiques de la paroi capillaire glomérulaire reconstruite dans ce microsystème.