L'œsophage de Barrett modélisé dans une puce d'organe humain

8 juin 2023

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par l'Université de Harvard

Le reflux acide, le reflux d'acide gastrique dans le tube de déglutition, ou œsophage, est quelque chose que beaucoup éprouvent occasionnellement. Lorsqu'il se produit à plusieurs reprises et devient un problème chronique, il peut entraîner «l'œsophage de Barrett» (BE), une condition dans laquelle les cellules de la muqueuse épithéliale de l'œsophage semblent assumer l'identité des cellules de l'estomac ou de l'intestin.

Ce processus est connu sous le nom de « métaplasie » et est associé à une incidence accrue de cancer de l'œsophage, l'une des tumeurs les plus meurtrières, estimée être la sixième cause la plus fréquente de décès par cancer dans le monde.

Pour être en mesure de prédire quels patients atteints de l'œsophage de Barrett courent un risque accru de développer un cancer et de découvrir des médicaments qui pourraient empêcher cette transition, une bien meilleure compréhension de ses déclencheurs cellulaires et moléculaires est nécessaire. Cependant, pour étudier BE, les modèles animaux ne sont pas utiles, car ils ont une anatomie oesophagienne différente, et les modèles in vitro existants ne parviennent pas à reproduire les changements dans la structure cellulaire et tissulaire qui sont les caractéristiques de BE observés chez les patients humains.

L'œsophage est tapissé d'une couche de cellules épithéliales qui fait directement face à la lumière œsophagienne et est soutenu par le bas par un mélange de cellules fibroblastes et de matrice extracellulaire environnante connue sous le nom de "stroma". En plus de fournir un soutien mécanique et nutritionnel, il est connu que le stroma envoie des signaux aux cellules épithéliales pour guider leur différenciation et leur fonction lors du développement de l'œsophage chez le fœtus.

Alors que le stroma continue de fournir à l'épithélium œsophagien des signaux tout au long de la vie d'une personne pour permettre le renouvellement des tissus, leur contribution à la métaplasie qui précède souvent la formation du cancer reste inconnue.

Aujourd'hui, une équipe de recherche du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard, dirigée par le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., en collaboration avec des chercheurs de l'Université McGill à Montréal, Canada et de l'Université de Californie à San Francisco (UCSF ) ont développé un modèle qui récapitule les réponses d'un épithélium BE aux fibroblastes dérivés du stroma d'une manière spécifique au patient in vitro à l'aide de la technologie Organ Chip.

Les puces d'organes sont des dispositifs de culture cellulaire microfluidique dans lesquels les structures et fonctions clés des organes composés de différents types de cellules et de tissus peuvent être imitées à l'extérieur du corps.

L'équipe a créé des puces bordées de cellules épithéliales qui ont été directement cultivées sur une couche de type stroma avec des cellules fibroblastes intégrées recréant une véritable interface épithéliale-stroma de type in vivo. Il est important de noter que les cellules épithéliales et les fibroblastes ont été isolés de différentes régions du même œsophage chez un patient atteint d'un cancer de l'œsophage ; certaines régions semblaient saines, tandis que d'autres présentaient des signes typiques d'EB ou avaient évolué vers un cancer.

Lorsqu'ils ont reconstitué l'interface épithéliale-stroma avec des cellules épithéliales et des fibroblastes d'une région BE, les cellules ont reformé un tissu qui ressemblait fortement au tissu BE. Mais lorsqu'ils ont combiné des cellules épithéliales BE avec des fibroblastes des régions cancéreuses, ils ont observé que les cellules de la couche épithéliale BE proliféraient à un rythme plus rapide et montraient des changements précancéreux au microscope. Les résultats ont ouvert la voie à une analyse approfondie de la relation stroma-épithéliale chez des patients individuels. Ils sont publiés dans Gastro Hep Advances.

En développant son modèle de puce d'organe BE, l'équipe d'Ingber s'est appuyée sur les modèles précédents de puce d'organe qu'ils ont conçus pour étudier le système gastro-intestinal, y compris le côlon ; ainsi que des méthodes de culture d'organoïdes qu'ils ont optimisées pour les cellules épithéliales oesophagiennes. En préservant le potentiel des cellules souches des patients et leur différenciation en cellules épithéliales fonctionnelles dans les organoïdes, les chercheurs ont créé une source durable de cellules épithéliales oesophagiennes humaines primaires.

"De nombreux modèles in vitro d'EB utilisent des cellules de patients qui ont été génétiquement manipulées pour être immortalisées, mais elles perdent également certaines de leurs caractéristiques. Pouvoir appliquer des cellules humaines primaires aux puces d'organes nous permet de rester beaucoup plus proches de la situation humaine ", a déclaré le premier auteur Elee Shimshoni, Ph.D., qui a travaillé sur le projet en tant que boursier postdoctoral dans l'équipe d'Ingber.

Pour imiter les interactions épithélium-fibroblaste humain et pouvoir les observer sur une longue période de temps, Shimshoni et ses collègues ont cultivé les fibroblastes du patient dans un gel de collagène ressemblant à la matrice extracellulaire naturelle des cellules dans le canal supérieur d'une puce d'organe qui contient deux canaux parallèles séparés par une membrane poreuse.

Pour faciliter le contact direct entre les deux populations cellulaires, les cellules épithéliales oesophagiennes, extraites de leurs cultures organoïdes, ont été cultivées au-dessus du gel de collagène contenant des fibroblastes dans le canal supérieur. Un couvercle amovible sur cette version Organ Chip a permis aux cellules épithéliales d'être exposées à l'air à une interface dite air-liquide, ce qui est important pour leur différenciation complète et la formation d'une couche épithéliale serrée, tout comme cela se produit dans l'œsophage dans vivo. A travers le canal inférieur, le milieu liquide a été continuellement mis en circulation pour fournir des nutriments aux cellules cultivées.

Lorsque les chercheurs ont combiné des fibroblastes normaux avec des cellules épithéliales œsophagiennes normales d'une région d'apparence saine dans ce qu'ils ont appelé un "appariement homotypique", cela a abouti à un épithélium multicouche avec une morphologie et une composition normales des cellules œsophagiennes, et une expression normale des marqueurs moléculaires.

D'autre part, un appariement homotypique de fibroblastes associés à BE avec des cellules épithéliales BE a produit un épithélium de type BE avec des cellules épithéliales cuboïdes plus épaisses et des cellules caliciformes productrices de mucus entrecoupées que l'on trouve généralement dans l'intestin. Ces résultats ont montré que leur système de culture était capable de récapituler la formation de tissu œsophagien normal et BE.

Cependant, "ce n'est que lorsque nous avons apparié les cellules épithéliales BE avec des fibroblastes associés au cancer de l'œsophage d'un site cancéreux dans l'œsophage du même individu dans un" appariement hétérotypique ", que les cellules épithéliales BE ont été poussées dans un état hyperprolifératif typique d'un état précancéreux processus - les fibroblastes normaux et les fibroblastes spécifiques à BE ne pourraient pas produire cet effet dans les appariements hétérotypiques et homotypiques.

Ces modèles permettent aux chercheurs non seulement d'étudier la base moléculaire et cellulaire des interactions épithéliales-stromales qui jouent un rôle clé dans la progression de la métaplasie à la formation du cancer, mais également les interactions guidant le développement normal de l'œsophage dans un contexte tissulaire très pertinent. "À notre connaissance, il s'agit du premier système in vitro dans lequel il est possible d'analyser les réponses hétérogènes de l'épithélium BE aux cellules stromales de différentes régions du même organe du même patient", a déclaré l'auteur principal Donald Ingber, MD, Ph. .D.

« Cette approche, si elle est effectuée pour plusieurs patients, pourrait nous permettre d'identifier les biomarqueurs précoces des changements qui indiquent la progression du cancer, et peut-être même de futures cibles thérapeutiques. Elle a également le potentiel d'être utilisée pour personnaliser la sélection des thérapeutiques.

L'équipe d'Ingber, dirigée par Shimshoni, a travaillé en étroite collaboration avec les groupes de Thea Tlsty, Ph.D. à l'UCSF, et le clinicien scientifique Lorenzo Ferri, MD, Ph.D. au Centre universitaire de santé McGill au Canada.

Ferri est le chef de la division de chirurgie thoracique et gastro-intestinale supérieure du Centre traitant des patients atteints de cancers et de malignités de l'œsophage et d'autres et a donné accès à des échantillons spécifiques au type de cellule d'un patient atteint d'un cancer de l'œsophage, tandis que Tlsty a étudié en profondeur les contributions du stroma à la cicatrisation et les tumeurs malignes dans des approches multidisciplinaires. Les groupes font partie d'un consortium qui se concentre sur le rôle clé que joue le stroma dans la progression des tissus métaplasiques vers les cancers dans divers organes.

Plus d'information: E. Shimshoni et al, Interactions épithéliales-stromales dans l'œsophage de Barrett modélisées dans des puces d'organes humains, Gastro Hep Advances (2023). DOI : 10.1016/j.gastha.2023.03.009