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Les alvéoles sont les sacs terminaux du système respiratoire et servent de principal site d’échange gazeux. Ils sont principalement composés de cellules épithéliales alvéolaires de type I et II, responsables de l’échange gazeux, des fonctions immunitaires et du maintien de l’intégrité structurelle, ainsi que de fibroblastes à l’intérieur des parois, qui maintiennent l’homéostasie de la matriceextracellulaire 1. Ces cellules résidentes et d’autres sont continuellement exposées à des contraintes cycliques d’étirement et de cisaillement pendant larespiration 2. Ces indices mécaniques sont transduits en signaux biochimiques qui influencent la structure cellulaire, la différenciation et la communication3.
Une tension mécanique pathologique est observée dans les maladies pulmonaires telles que la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC). La MPOC est une affection progressive caractérisée par la destruction parenchymateuse, une inflammation chronique et un rétrécissement des petites voiesrespiratoires 4. Dans cette maladie, la destruction des parois alvéolaires, la perte d’élastine, le remodelage de la matrice extracellulaire (ECM) entraînant la fibrose et l’inflammation chronique altèrent collectivement la capacité du poumon à supporter des dommagesstructurels 5,6. Cela entraîne une déformation alvéolaire hétérogène et anormale lors de la respiration, qui s’aggravelors des poussées 7,8.
Bien que plusieurs approches in vitro aient été utilisées pour étudier la biologie alvéolaire, chacune présente des limites notables. Les systèmes de co-culture 2D facilitent l’étude des interactions cellule-cellule mais ne capturent pas l’architecture tissulaire ni la dynamique de la matrice extracellulaire, réduisant ainsi leur pertinence physiologique. Les cultures 3D statiques préservent mieux l’organisation structurelle et les interactions matricielles, mais elles n’intègrent pas les indices mécaniques dynamiques présents in vivo. Les plateformes microfluidiques et organes sur puce peuvent imiter l’écoulement des fluides et la contrainte mécanique, offrant une grande fidélité physiologique, mais elles sont souvent techniquement complexes, à faible débit et coûteuses9. En revanche, le modèle organoïde 3D à contraintes mécaniques présenté ici combine complexité structurelle, hétérogénéité cellulaire et stimulation mécanique contrôlée, un aspect souvent négligé dans les modèles existants, au sein d’une plateforme reproductible et évolutive offrant un équilibre entre pertinence physiologique et accessibilitéexpérimentale 10,11.
Pour comprendre les mécanismes complexes qui contribuent à des maladies telles que la MPOC et découvrir des cibles thérapeutiques, des modèles de maladies ont été mis en place. Malgré son importance, la déformation mécanique est souvent négligée dans les modèles alvéolaires in vitro utilisés pour étudier les mécanismes et la pathogenèse des maladies pulmonaires telles que la BPCO. Pour combler cette lacune, nous présentons une méthode de culture des organoïdes épithéliaux alvéolaires fibroblastiques dans une matrice de socle, de leur extraction et de leur intégration dans des gels de collagène 3D, d’application d’une contrainte mécanique cyclique à l’aide d’un bioréacteur à étirement cellulaire, et d’évaluation des principaux résultats structurels et fonctionnels. Ces modèles organoïdes mécaniques 3D capturent mieux les interactions cellulaires et le microenvironnement de la niche alvéolaire humaine, permettant l’étude de la diaphonie épithéliale-mésenchymatose12.
Le bioréacteur applique une déformation équibiaxiale avec des paramètres configurables, permettant jusqu’à 30 % d’élongation et des fréquences allant jusqu’à 5 Hz pour modéliser à la fois les conditions physiologiques et pathologiques. Dans cette étude, nous avons généré des modèles organoïdes intégrés dans des hydrogels de collagène-I soumis à une contrainte de 18 % à 0,4 Hz pendant 24 heures pour simuler la respiration pathologique. Nous avons mis en place un flux de travail standardisé de caractérisation incluant l’immunocoloration pour les marqueurs spécifiques aux cellules et des immunotests pour quantifier la libération des médiateurs immunitaires après une déformation mécanique. L’objectif de cette étude est de fournir une plateforme physiologiquement pertinente, conviviale et adaptable pour étudier la biologie alvéolaire sous contrainte mécanique.