Modélisation des maladies cardiaques sur puce par analyse d'images basée sur l'apprentissage profond – MoHeDis

L'avènement de la technologie des cellules souches pluripotentes induites humaine a révolutionné le domaine du développement des thérapies pour les cardiomyopathies dilatées. Les cardiomyocytes dérivés des hiPSC (hiPSC-CM) sont désormais à la base d'un nombre croissant de plates-formes dédiées au criblage à haut débit et à haut contenu (HTS/HCS). Le développement de ces plates-formes soulève des attentes dans le milieu universitaire et dans l'industrie, bien qu'il reste encore des défis à surmonter, tels que l'immaturité des hiPSC-CM par rapport aux myocytes cardiaques adultes. Pour améliorer cela, plusieurs méthodes existent mais ne sont pas compatibles avec les méthodes HTS. Nous faisons l'hypothèse que la culture des hiPSC-CM sur des motifs d’une rigidité et d’une chimie de surface contrôlée améliorera les caractéristiques de ces cellules tout en restant compatible avec les méthodes HTS.

Notre premier objectif est de différencier des hiPSC-CM à partir de différentes sources (patients sain ou atteints de cardiomyopathie dilatée). Dans une perspective de criblage de médicaments, les caractéristiques du matériel biologique utilisé doivent être hautement reproductibles pour extraire des informations solides du HTS/HCS. Actuellement, l’obtention des hiPSC-CM n'est pas totalement contrôlée et conduit à de fortes variations de lot à lot. En plus des différences dans l'efficacité de la différenciation, il y a des différences dans les sous-types de cardiomyocytes d'une différenciation à une autre ainsi que de l'état de maturation des hiPSC-CM. Par conséquent, nous combinerons la différenciation monocouche, l'amplification et la spécification ventriculaire des cardiomyocytes pour mettre en place un protocole robuste d’obtention des hiPSC-CM. Des méthodes spécifiques seront utilisées pour mesurer l'homogénéité des hiPSC-CM.

Notre deuxième objectif est dédié à la conception et à la fabrication d'une nouvelle plateforme de culture cellulaire biomimétique en tant que produit commercial. Pour mimer le micro-environnement cardiaque, nous proposons de développer des substrats de rigidités qui imitent la rigidité du cœur. Cell&Soft, une entreprise française, a développé une méthode pionnière qui permet l'élaboration de substrats d'hydrogel polymérisés de rigidité physiologiques. Cette technologie répond aux exigences d'une plate-forme HTS/HCS en termes de manipulation et d'imagerie car les substrats à motif en polyacrylamide sont optiquement clairs et peuvent être visualisées avec la plupart des microscopes.

Notre troisième objectif est de développer des outils logiciels pour analyser quantitativement la morphologie et la fonction des hiPSC-CM cultivés sur la plateforme biomimétique. Ces outils seront basés sur des approches d'apprentissage en profondeur et après l'acquisition d'images, nous adapterons d'abord un extracteur de fonctionnalités déjà existant pour l'analyse des hiPSC-CM. Dans un deuxième temps, nous créerons un modèle discriminant pour mieux comprendre les caractéristiques des lignées cellulaires mutées par rapport aux témoins.

Enfin, pour notre dernier objectif, nous proposons d'abord d'utiliser la microscopie à force atomique pour caractériser mécaniquement des cellules cardiaques, et dans un second temps, de générer de données massives à exploiter par les techniques d'apprentissage en profondeur qui peuvent aider à distinguer les cellules saines et mutantes. Cela nous permettra de corréler la morphologie, la fonction et les propriétés mécaniques des hiPSC-CM pour valider le modèle cellulaire développé et pour obtenir des informations sur les mécanismes physiopathologiques de la cardiomyopathie dilatée. L'objectif final de ce projet est le développement de produits commerciaux, à savoir des plaques de 96 et 384 puits avec des substrats de culture cellulaire à micro-motifs pour la culture de hiPSC-CM compatibles avec les applications HTS/HCS et des outils logiciels pour l'analyse des hiPSC-CM pour les applications HTS/HCS.