Développement d'un dispositif in vitro microfluidique 3D de cellules bêta pancréatiques pour imiter la fonction endocrine du pancréas et étudier la progression du diabète de type 2

Abstract

Le diabète de type 2 (DT2) se caractérise par une hyperglycémie persistante, due à une fonction (sécrétion d'insuline) et une masse (diminution de la prolifération ou sénescence accrue) inadéquates des cellules bêta du pancréas face à une résistance périphérique à l'insuline. La perte de masse et de fonction des cellules bêta joue un rôle majeur dans la pathogenèse du DT2. Contrecarrer cette perte représente une voie prometteuse pour des traitements alternatifs du DT2. Bien que plusieurs études aient démontré un effet délétère des tissus périphériques, y compris le tissu adipeux, sur les cellules bêta, les mécanismes moléculaires précis de ce dysfonctionnement lié à l'interaction des organes restent à découvrir. Il est bien établi que la progression de la maladie résulte de la perturbation de la communication homéostatique entre plusieurs organes. Toutefois, les approches actuelles, comme l'expérimentation animale, ne permettent pas de définir avec précision les conséquences de ces interactions sur la physiologie et la maladie. Il est donc crucial de développer des modèles in vitro capables de récapituler ces interactions et d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques contre le diabète. Le développement de ces approches est également encouragé par la règle des 3R (Replace, Reduce, Refine) de la Commission européenne (Directive 2010/63/EU) régissant l'utilisation des animaux. Cette thèse s'est concentrée sur le développement d'outils in vitro imitant le microenvironnement pour modéliser la communication entre le tissu pancréatique et adipeux. Tout d'abord, des matrices extracellulaires synthétiques ont été utilisées pour faciliter la culture tridimensionnelle (3D) des cellules bêta, améliorant la pertinence du modèle par rapport à la culture en 2D, en fournissant des repères mécaniques. Une matrice hydrogel poreuse contenant des biomolécules clés, comme l'acide hyaluronique, le collagène et la fibronectine, a été synthétisée. Les échafaudages ont été évalués par des expériences rhéologiques et de relaxation sous contrainte pour caractériser leurs propriétés viscoélastiques et les comparer aux données des tissus biologiques. Leur composition chimique a été confirmée par spectroscopie Raman. La porosité a été étudiée par microscopie électronique. La fonctionnalité biologique a été évaluée avec des cellules MIN6 (cellules de souris sécrétant de l'insuline), en comparant la réponse à la sécrétion d'insuline, la viabilité et la prolifération en 3D par rapport à la culture standard en 2D. Deuxièmement, plusieurs méthodes microfluidiques ont été développées pour imiter la circulation des nutriments par perfusion du milieu, incluant un modèle d'écoulement des fluides, un contrôle numérique, ainsi que l'estimation du volume et de la résistance du système. Le contrôle automatisé de la pression a permis d'alimenter en fluide les puces microfluidiques. Des puces commerciales et conçues sur mesure ont été utilisées. Enfin, des tentatives ont été faites pour développer un réseau de biocapteurs permettant la surveillance continue du glucose et de l'insuline dans le système microfluidique. Des réseaux de microélectrodes ont été fabriqués et caractérisés par des techniques électrochimiques, puis modifiés avec des flocons d'oxyde de graphène pour améliorer la détection des analytes. En somme, ce travail pose les bases d'un modèle microfluidique 3D in vitro, qui pourra être développé pour étudier les événements microbiologiques et moléculaires du DT2 dans un contexte de dialogue entre plusieurs organes.