Améliorer les modèles in vitro : l'avènement des organoïdes

Dès lors que l’on connaît ne serait-ce qu’un peu la recherche expérimentale, en biologie ou dans toute autre discipline scientifique, la manière dont elle est menée et son fonctionnement, on se rend rapidement compte que tout repose sur le modèle. Dans la recherche biomédicale, par exemple, l’objectif général est de mieux appréhender le corps humain et les maladies qui l’affectent, de comprendre leur apparition et leur évolution afin de les prévenir et de les guérir. Très vite, la question de la pertinence du modèle devient donc centrale : quel organisme utiliser pour les études in vivo? Quel système cellulaire pour les expériences in vitro? C’est pourquoi, en tant que communauté, nous recherchons en permanence la meilleure façon de reproduire ce qui se passe chez les patients, à la recherche du modèle « parfait ».

Les modèles in vitro ont toujours occupé une place centrale dans la recherche biomédicale, et on peut affirmer sans risque que leur utilisation ne fera que s’accroître à l’avenir. Il existe une liste infinie de modèles in vitro, qui dépendent du nombre de types cellulaires impliqués, du matériel nécessaire, de la complexité du système, mais aussi de son aspect. Historiquement, les études in vitro ont commencé par utiliser des « cellules en boîte de culture », disposées en couche ou en suspension, ce que l’on appelle aujourd’hui des systèmes 2D ; mais il existe désormais de nombreuses autres façons de cultiver des cellules dans des structures complexes en ajoutant une dimension, ce que l’on appelle les systèmes 3D. On sait depuis une cinquantaine d’années que si l’on prélève des cellules d’un organe, que l’on les dissocie, puis que l’on les réassemble dans une boîte de Pétri (dans des conditions appropriées — c’est là tout l’art !), elles peuvent se réorganiser et reformer l’organe d’origine, bien qu’il s’agisse d’une version plus petite et plus simple de celui-ci. Ces mini-organes, ou organoïdes, dotés de propriétés d’auto-organisation, ont été observés pour la première fois dans des études désormais « classiques » menées sur des tissus embryonnaires de poulet (1), mais leur existence a été démontrée dans pratiquement tous les organes en développement chez les vertébrés.

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Les organoïdes sont aujourd’hui définis comme des structures en 3D qui se développent à partir de cellules souches et s’auto-organisent par le biais d’un tri cellulaire et d’un engagement de lignée spatialement restreint. En d’autres termes, ces structures se forment grâce à une « reconnaissance » entre cellules et s’organisent en 3D sous l’effet de contraintes spatiales, tandis que les cellules souches donnent naissance à différents types cellulaires spécialisés. Dans un article révolutionnaire publié en 2009, Hans Clevers et ses collaborateurs ont démontré qu’ils pouvaient recréer in vitro des mini-intestins, dotés de cryptes et de villosités plates, à partir uniquement de cellules souches épithéliales intestinales.(2) Dans ces organoïdes intestinaux, des cellules multipotentes peuvent donner naissance à toutes les cellules épithéliales de l’intestin, qu’il s’agisse de cellules absorbantes ou sécrétoires, exactement comme cela se produit in vivo, et elles peuvent être maintenues en culture pendant des mois, voire des années. Les organoïdes peuvent être formés à partir de cellules souches pluripotentes (CSP, embryonnaires ou induites) ou de cellules souches adultes spécifiques d’un organe (CSA) ; à ce jour, ils peuvent servir de modèle pour plus de 10 organes, de l’intestin au cerveau, à partir de CSP et/ou de CSA, selon l’organe concerné. Il est intéressant de noter qu’ils peuvent également être formés à partir de tumeurs.

Si, à leurs débuts, les organoïdes étaient principalement utilisés dans le cadre d’études de biologie du développement, avec un intérêt particulier pour l’organogenèse, ils ont, depuis près de dix ans maintenant, retrouvé leur popularité dans de nombreux autres domaines de la biologie et sont désormais reconnus comme des modèles puissants pour diverses applications. (Ils viennent d’ailleurs d’être désignés « Méthode de l’année 2017 » par Nature Methods.)(3) Dans la recherche sur le cancer, par exemple, les organoïdes – ou plutôt les tumoroïdes – constituent une méthode inattendue pour préserver des échantillons tumoraux cliniques, car ils permettent de maintenir en culture des cellules cancéreuses précancéreuses. En effet, la Human Cancer Model Initiative a annoncé en juillet 2016 qu’elle inclurait les tumoroïdes dans sa « banque » de modèles de cancer.(4) Des institutions de différents pays participent à cet effort visant à mieux rendre compte de la diversité des sous-types de cancers, et ces modèles doivent être partagés avec l’ensemble de la communauté scientifique. Il est important de noter que le maintien de cellules cancéreuses en culture signifie également qu’elles prolifèrent, ce qui augmente considérablement la quantité de matériel disponible pour des analyses plus approfondies. Récemment, des chercheurs ont utilisé des organoïdes pour cultiver des cellules issues de trois cancers primaires du foie et réaliser une analyse de l’expression génique, ouvrant ainsi la voie à la découverte de biomarqueurs pour des sous-types de cancers rares.(5) Les organoïdes ont également été utilisés dans la découverte de médicaments, avec des résultats très concluants. En mai 2017, la FDA a élargi l’indication du Kalydeco, un médicament contre la mucoviscidose, passant de 10 à 33 mutations du gène CFTR.(6) Cette décision reposait exclusivement sur des tests in vitro réalisés sur des organoïdes intestinaux issus de patients, démontrant clairement leur potentiel préclinique prometteur.

La liste des applications possibles est longue : médecine personnalisée, modélisation des maladies, interactions hôte-microbe… Mais les organoïdes présentent encore certaines limites. Dans certains cas, les organoïdes ne comprennent pas tous les types de cellules, leur structure ne correspond pas à celle de l’organe in vivo, ou ils présentent un fonctionnement immature. Pour certaines applications, notamment les études nécessitant des configurations plus complexes, ces modèles pourraient bientôt être supplantés par des systèmes 3D plus sophistiqués, tels que les « organes sur puce » et la bio-impression 3D. Il est encore trop tôt pour dire quel modèle particulier remportera le titre de meilleur modèle et de modèle le plus pertinent, mais il est intéressant de noter qu’au-delà de la technologie ou de la méthode utilisée (2D, organoïdes, « organes sur puce »), ce qui sera considéré comme le meilleur modèle dépendra également du choix des cellules utilisées sur la plateforme. Le Saint Graal est, bien sûr, l’utilisation de cellules humaines primaires, mais celles-ci ne sont pas toujours disponibles (les neurones posent un problème majeur, évidemment). Ainsi, comme alternatives, les cellules dérivées de cellules PS induites humaines (hiPS), ou les cellules primaires issues de modèles de rongeurs, sont particulièrement intéressantes, même si les cellules dérivées de hiPS présentent une certaine immaturité et que les cellules primaires de rongeurs ne proviennent, disons-le, pas d’êtres humains.

    Donc, oui, il n’existe effectivement pas aujourd’hui de « modèle idéal et le plus pertinent » pour les études in vitro, et il se peut qu’il n’y en ait jamais qu’un seul, car tout dépend de l’application.

Références :

1. Weiss, P. et Taylor, A. C. Reconstitution d'organes complets à partir de suspensions de cellules isolées provenant d'embryons de poulet à des stades avancés de différenciation. Proc. Natl. Acad. Sci. 46, 1177–1185 (1960).
2. Sato, T. et al. Des cellules souches Lgr5 isolées forment des structures de cryptes et de villosités in vitro sans niche mésenchymateuse. Nature 459, 262–265 (2009).
3. Méthode de l'année 2017 : les organoïdes. Nature Methods 15, 1 (2018).
4. Ledford, H. Une initiative mondiale vise à développer 1 000 nouveaux modèles de cancer. doi : 10.1038/nature.2016.20242
5. Broutier, L. et al. Cultures d’organoïdes dérivés de tumeurs hépatiques primaires humaines pour la modélisation de la maladie et le criblage de médicaments. Nat. Med. 23, 1424–1435 (2017).
6. Ratner, M. La FDA estime que les données in vitro sur les mutations sont suffisantes pour élargir l'indication d'un médicament contre la mucoviscidose. Nature Biotechnology 35, 606 (2017).