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Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 310 (2023) Citer cet article

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La stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) touche un pourcentage important de la population ; cependant, aucun traitement efficace n'a encore été établi en raison de l'inadéquation des tests in vitro et des modèles expérimentaux animaux. Nous présentons ici une plateforme intégrée d'intestin-foie sur puce (iGLC) en tant que modèle humain in vitro de l'axe intestin-foie (GLA) en cultivant conjointement des lignées de cellules intestinales et hépatiques humaines interconnectées via la microfluidique dans un boucle de circulation fermée, pour l'initiation et la progression de la NAFLD par traitement aux acides gras libres (FFA) pendant 1 et 7 jours, respectivement. Les cellules co-cultivées imitant l'intestin Caco-2 et les cellules de type hépatocyte HepG2 démontrent les effets protecteurs de l'apoptose contre le traitement par les FFA, alors que les cellules monocultivées présentent une apoptose induite. Les analyses du phénotype et de l'expression génique révèlent que les cellules intestinales et hépatiques traitées aux FFA ont accumulé des gouttelettes lipidiques intracellulaires et montrent une augmentation de l'expression génique associée à une réponse cellulaire aux ions cuivre et au stress du réticulum endoplasmique. En tant que modèle GLA humain in vitro, la plateforme iGLC peut servir d'alternative aux expérimentations animales pour étudier les mécanismes de la NAFLD.

La stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) est une maladie hépatique chronique courante qui entraîne une stéatose hépatique, une cirrhose, un cancer et des maladies cardiovasculaires1,2,3,4. La NAFLD devrait toucher 33,5 % de la population américaine âgée de plus de 15 ans d'ici 20305. Actuellement, la transplantation hépatique est la seule méthode pour guérir les patients atteints de maladies hépatiques graves, et il est extrêmement difficile de trouver des donneurs correspondant aux patients. Il existe un besoin urgent d’intervention à différents stades de la stéatose hépatique ; cependant, le mécanisme de la maladie est largement inconnu en raison des processus complexes qui se déroulent à plusieurs niveaux, connus sous le nom de théorie des impacts multiples. Par exemple, l’accumulation de graisse, le stress oxydatif, le stress du réticulum endoplasmique (RE) et les modifications génétiques ou épigénétiques peuvent survenir au niveau cellulaire, tandis que la résistance à l’insuline et les réponses inflammatoires peuvent survenir dans plusieurs organes en fonction de l’individu et de l’environnement6. Pour identifier de nouveaux traitements contre la NAFLD, une compréhension approfondie de chacun de ces processus est nécessaire, et ces connaissances accumulées doivent ensuite être combinées.

Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur l’axe intestin-foie (GLA), qui est l’un des composants les plus cruciaux pour l’initiation et la progression de la NAFLD7,8. L’intestin est fortement influencé par le microbiote intestinal et les glucides alimentaires, ce qui peut accélérer la NAFLD9,10,11. Les produits inflammatoires, les nutriments et les substances absorbés par l’alimentation et le microbiote via la barrière intestinale sont transportés par le sang veineux jusqu’au foie. De plus, les produits générés par les hépatocytes sont transportés vers l’intestin grêle. Ainsi, l’intestin et le foie sont intimement liés, tant sur le plan physiologique que pathologique. Le dysfonctionnement du GLA, y compris la dysbiose intestinale, la prolifération bactérienne et l’altération de la perméabilité des muqueuses, provoqués par la NAFLD, sont des cibles thérapeutiques potentielles ;12,13 mais aucun traitement n’a été commercialisé à ce jour. Cela est dû en grande partie au fait que les tests précliniques conventionnels sur les animaux ne représentent pas avec précision les problèmes de la théorie des impacts multiples, qu’ils manquent d’accessibilité aux organes individuels des animaux vivants et qu’ils présentent des différences entre les espèces. Par conséquent, l’établissement d’un modèle simplifié et robuste pour étudier le GLA dans la NAFLD est crucial pour obtenir des informations plus approfondies sur les mécanismes qui sous-tendent la découverte de nouveaux médicaments, traitements et outils de diagnostic.

Les organes sur puces (OOC), également appelés systèmes microphysiologiques (MPS), présentent un potentiel important pour les tests précliniques in vitro14,15,16,17 et la modélisation de maladies18. La technologie microfluidique est à la base des OOC car elle permet un contrôle précis du débit de liquide et de l'architecture tridimensionnelle des canaux d'écoulement. Ces propriétés confèrent aux OOC la capacité de contrôler les microenvironnements cellulaires de manière spatio-temporelle et de fonctionnaliser les cellules tissulaires. La circulation du milieu de culture cellulaire peut en outre aider à modéliser les interactions multi-organes avec la signalisation paracrine et endocrinienne. Les OCC, associés à des analyses cellulaires avancées, telles que les analyses à haut contenu et l'approche omique, fournissent des informations plus approfondies sur la biologie de manière quantitative et multiparamétrique que les expérimentations animales19. Les OOC ont été utilisés pour récapituler le GLA in vitro et pour démontrer le rôle de la diaphonie via le GLA dans des situations pathologiques, notamment la stéatose hépatique20,21 et l'inflammation22, pour des études pharmacocinétiques in vitro23. Cependant, les OOC doivent être encore améliorés pour imiter le GLA, et cela nécessite quatre caractéristiques clés : une boucle de circulation fermée, l'accessibilité aux chambres individuelles, un contrôle dynamique du débit et la prévention de l'absorption des molécules. La boucle de circulation fermée est nécessaire à la circulation moyenne pour récapituler les interactions inter-tissulaires dans le GLA. L’accessibilité individuelle est nécessaire pour introduire les cellules tissulaires dans la chambre souhaitée et les récolter après traitement sans contamination croisée par d’autres cellules. La boucle de circulation fermée et l’accessibilité individuelle peuvent sembler contradictoires, mais les deux sont nécessaires pour étudier la diaphonie entre l’intestin et le foie. Le contrôle dynamique du flux est crucial pour l’obtention de cellules tissulaires fonctionnelles in vitro, en particulier pour l’intestin24. Certains OOC nécessitent l'utilisation d'inserts de culture cellulaire supplémentaires (par exemple, Transwell) pour co-culturer deux ou plusieurs types de cellules séparées par une membrane poreuse. Cependant, en raison de la gamme macroscopique du milieu, ces inserts ne peuvent pas être utilisés pour la microfabrication et manquent souvent des avantages de la technologie microfluidique, tels que le contrôle de la dynamique du flux dans la chambre de culture cellulaire et du microenvironnement cellulaire. Ces inserts supplémentaires interfèrent souvent avec l'observation microscopique des cellules car ils augmentent la distance de travail et la diffraction de la lumière par les pores de la membrane. Le polydiméthylsiloxane (PDMS) est un matériau largement utilisé pour les systèmes de culture cellulaire microfluidique en raison de ses propriétés de biocompatibilité, de transparence et d’élasticité. Cependant, il est nécessaire d’empêcher l’absorption du PDMS, car celui-ci provoque l’absorption de molécules hydrophobes, notamment de métabolites, d’hormones, de candidats médicaments, d’acides gras, de lipides et d’indicateurs fluorescents, qui peuvent influencer les phénotypes cellulaires et les résultats des tests. Les acides gras libres (FFA) sont un facteur critique dans la NAFLD. Bien que les systèmes de culture cellulaire microfluidique basés sur PDMS, y compris notre modèle GLA in vitro précédemment rapporté, résolvent les problèmes susmentionnés d'OOC pour GLA, les plates-formes basées sur PDMS sans aucun traitement pour empêcher l'absorption de molécules hydrophobes ne sont pas applicables pour récapituler la NAFLD.