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Microfluidic-assisted fabrication of artifical microniches for bone marrow stem cells

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Bien concevoir la niche pour garantir la survie des cellules souches humaines

La médecine régénérative fondée sur les cellules souches devrait permettre de parvenir à traiter de nombreuses maladies, incurables jusqu’à présent, de la régénération dentaire à l’insuffisance cardiaque. Les recherches financées par l’UE et menées par MicroNICHE ont abouti à un microenvironnement spécial qui maintient ce caractère «souche» essentiel des cellules destinées à devenir des tissus ou des organes thérapeutiques.

Santé

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) sont un type de cellules souches de la moelle osseuse dont la reproduction ne peut pas être induite in vitro. Dans leur site naturel, la moelle osseuse, elles vivent dans un microenvironnement appelé niche qui les maintient dans un état de «repos» jusqu’au moment où elles sont appelées à se différencier en diverses cellules sanguines. Cet environnement leur fournit des nutriments et leur permet de se maintenir en vie. Dans certaines circonstances où les CSH doivent se différencier en une cellule cible, le «cocktail» approprié de facteurs régulateurs ainsi que les signaux mécaniques et environnementaux issus de la matrice extracellulaire constituent des régulateurs fondamentaux du destin des cellules souches.

Construction de niches artificielles pour les cellules souches

Le projet MicroNICHE a été conçu comme un outil pour construire des niches artificielles de CSH en employant des techniques microfluidiques. Les dispositifs microfluidiques exploitent les propriétés chimiques et physiques des liquides et des gaz à l’échelle microscopique. Pilar Carreras, titulaire d’une bourse Marie Skłodowska Curie, explique: «Nous avons été amenés à concevoir un microenvironnement tridimensionnel biomimétique afin de maintenir et d’étendre les cellules souches hématopoïétiques humaines de la moelle osseuse, et de pouvoir mettre en place la traduction ultérieure de ces cellules dans des cellules fonctionnelles mises en culture ex vivo.» La prochaine étape consistait à développer des microniches artificielles dotées de caractéristiques fonctionnelles reconstruites fondamentales. «Dans le cadre de ce projet, nous avons profité des avantages de la technologie microfluidique à haut débit, notamment la microfluidique à base de gouttelettes», ajoute Pilar Carreras.

Passer de cellules souches individuelles à des cellules différentiées

L’objectif initial consistait à maintenir les cellules pendant au moins 78 h pour démontrer la capacité à créer un environnement adapté à l’encapsulation et à la culture de CSH humaines (CSHh). «Toutefois, nous avons observé des microniches capables de maintenir et d’étendre des CSHh pendant huit semaines sans utiliser des technologies complexes de culture ni ajouter des additifs au milieu de culture», souligne Pilar Carreras. Pour parvenir à une idée du taux de caractère «souche» et du potentiel de différenciation dans d’autres possibles cellules, les scientifiques ont mis en culture des cellules issues de patients dans des gouttelettes pendant une semaine. «Nous avons constaté que la grande majorité des cellules encapsulées restaient “souches”, avec des petites sous-populations de cellules différentiées. Cela suggère que la plupart des CSHh maintenues ex vivo mises en culture par le biais de la technologie microfluidique à haut débit conservaient leur état souche original et peuvent être mises en culture et reproduites à long terme», met en avant Pilar Carreras. La technologie de MicroNICHE a également abouti à la survie et à l’expansion des CSHh à long terme en encapsulant ces cellules dans une structure d’hydrogel de type oignon avec des cellules souches mésenchymateuses humaines (CSMh) de soutien pendant huit semaines. Au sujet de l’importance de cette percée, Pilar Carreras déclare qu’elle «représente une occasion d’améliorer significativement les transplantations de cellules progénitrices, ainsi qu’un outil pour étudier les facteurs biophysiques et biochimiques influençant le comportement des cellules souches».

Relever les défis et combler les lacunes dans la recherche

Des défis se sont présentés, et ont été maîtrisables grâce au soutien apporté à l’équipe par le laboratoire partenaire du Dr Joaquin Martinez-Lopez, du département d’hématologie de l’Hôpital 12 de Octubre, à Madrid. Un changement du matériel utilisé pour la conception du dispositif microfluidique s’est avéré nécessaire pour permettre l’ajustement de ses caractéristiques. Plus tard, la complexe imagerie 3D des cellules encapsulées a été réussie en concevant plusieurs tests cellulaires pour les perles en culture par le biais de la microscopie confocale. Pilar Carreras conclut: «Cette technologie ouvre une myriade de nouvelles applications, car un modèle universel de niche de cellules souches est potentiellement susceptible de s’étendre à d’autres types de cellules.» Elle souligne encore davantage l’importance des applications microfluidiques dans les sciences de la vie et le besoin de combler les lacunes entre ce type de recherches, les hôpitaux et les patients, étant donné que des résultats bien plus efficaces et précieux pourraient surgir du travail auprès des patients.

Mots‑clés

MicroNICHE, cellules souches, microfluidique, culture, CSHh, niche de cellules souches, microfluidique à base de gouttelettes

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