Un organe sur puce pour mieux comprendre la perméabilité de l’intestin
Un modèle in vitro miniature, appelé organe sur puce, a permis au projet IMBIBE de reproduire les composants de l’axe microbiome-intestin-cerveau (AMIC) humain. Ce projet a été soutenu par le Conseil européen de la recherche. Le projet s’était fixé pour objectif d’étudier en quoi une barrière épithéliale intacte, avec une couche de mucus, est essentielle pour permettre à des microbes bénéfiques de se développer dans l’intestin sans déclencher le système immunitaire de l’hôte. «Notre solution de démonstration de principe permet de mieux comprendre la perméabilité des tissus, qui est souvent mal comprise et mal documentée», explique Róisín Owens, coordinatrice du projet. Certains résultats du projet ont déjà été publiés et le travail de recherche a également été présenté à la «BBC». «Les chercheurs entendent désormais utiliser notre modèle pour étudier des questions vraiment urgentes, allant des infections de l’intestin à la façon dont la sclérose en plaques pourrait y trouver son origine», ajoute Róisín Owens, attachée à l’université de Cambridge, qui héberge le projet.
L’équilibre de l’intestin
Au cours du développement du fœtus humain, une barrière de mucus semi-perméable est créée au niveau du tractus gastro-intestinal, celle-ci permet le passage des nutriments et des molécules essentiels, tout en limitant celui des agents pathogènes et des toxines. Elle se «referme» environ quatre mois après la naissance. La perturbation de cet équilibre dans l’intestin est responsable d’une fuite dans la barrière qui a été associée à des troubles tels que les maladies inflammatoires de l’intestin (MII) et des troubles du spectre de l’autisme, tous caractérisés initialement par une inflammation de l’intestin. S’il est prouvé que la présence de diverses espèces microbiennes dans l’intestin peut atténuer l’inflammation, les outils permettant d’en étudier le fonctionnement nous font encore défaut. «Nous savons que les microbes tirent profit des nutriments intestinaux, qu’ils fermentent afin de produire des composés bénéfiques pour la santé de l’intestin et du cerveau. Toutefois, en dépit de données issues d’essais sur l’homme qui suggèrent les avantages des produits bioactifs, notre connaissance des qualités intrinsèques des souches bactériennes ou de la manière dont les modifications du microbiote intestinal affectent le cerveau, demeurent fort limitées», explique Róisín Owens.
Le dispositif e-transmembranaire
L’équipe du projet IMBIBE a développé un modèle d’organe sur puce de l’épithélium intestinal et des paquets vasculo-nerveux (barrière hémato-encéphalique), en utilisant plusieurs types de cellules humaines, afin de mesurer électroniquement la perméabilité de la barrière tissulaire. Ils ont construits des échafaudages 3D en forme d’éponge à l’aide de polymères conducteurs liquides capables d’accueillir et de contrôler électriquement les cellules. Les cellules du stroma ont été ensemencées dans l’échafaudage poreux, avec des cellules épithéliales ou endothéliales en couches pour former la barrière gastro-intestinale, créant une résistance électrique supplémentaire à mesure qu’elles se différenciaient. La croissance cellulaire et l’adhésion à l’échafaudage ont été enregistrées par les changements de conductivité du polymère, qui ont été mesurés par spectroscopie d’impédance électrique. «Nous avons réussi à reproduire l’environnement créé par les cellules productrices de mucus intestinal, permettant aux bactéries du microbiome de se développer aux côtés des cellules humaines sans que le contact direct ne déclenche d’inflammation», explique Róisín Owens. L’équipe a mesuré la croissance et la différenciation des cellules en continu pendant environ quatre semaines. «Les analyses biochimiques d’échantillons prélevés au-dessus et au-dessous des échafaudages poreux révèlent le processus de transport des produits bactériens à travers les tissus, tandis que l’analyse des données et la modélisation permettent de mesurer la résistance de la barrière tissulaire», explique Róisín Owens. Des études d’imagerie ont également été menées pour valider les modèles et fournir des ressources supplémentaires aux chercheurs.
Vers une médecine mieux personnalisée
Les modèles d’IMBIBE étaient basés sur plaques microtitres dotées d’inserts suspendus, ce qui les rendait transférables aux essais de transport qui évaluent les composés capables de traverser les barrières tissulaires, potentiellement extrêmement bénéfiques pour la santé du cerveau. La plateforme porte la promesse d’une médecine plus personnalisée, permettant par exemple de tester l’efficacité et la sécurité des probiotiques ou des transplantations de matières fécales, ou encore d’ étudier l’influence de l’alimentation sur la santé de l’intestin et du cerveau. L’équipe prévoit désormais d’utiliser des cellules souches humaines, et une plus grande variété de cellules, tout en cultivant davantage de types de bactéries du microbiome, notamment des échantillons provenant de patients atteints de maladies inflammatoires de l’intestin. «Le développement de l’unité neurovasculaire s’est révélé particulièrement difficile. Nous pensons y être parvenu, mais il nous faudra encore travailler pour qu’elle soit prêt pour le laboratoire», ajoute Róisín Owens.
Mots‑clés
IMBIBE, modèle sur puce, intestin, épithélium, cellules, axe microbiome-intestin-cerveau, mucus, gastro-intestinal, neurovasculaire, microbiome, bactéries, probiotique
