Il est désormais bien établi, par des mécanismes encore en cours d'étude, que les forces mécaniques jouent un rôle essentiel dans la fonction cellulaire et dans le maintien de l'équilibre subtil entre santé et maladie1. Parmi tous les stress environnementaux, la force gravitationnelle est unique et est à juste titre considérée comme un vecteur constant et invariable dans la grande majorité des domaines de la science biomédicale. Toutefois, le vol spatial offre un environnement de microgravité particulier, dans lequel le comportement des organismes peut différer de celui observé sur Terre. Des expériences menées dans l'espace avec des animaux et des sujets humains révèlent des changements physiologiques importants, soulignant ainsi le rôle de la gravité dans l'homéostasie cellulaire et organisme entier2.
Récemment, la NASA et d'autres agences privées ont manifesté un intérêt considérable pour le développement de puces tissulaires (ou organes-sur-puces) destinées à être utilisées lors de missions spatiales.3. Les puces tissulaires sont conçues pour imiter le in vivo architecture, leur permettant de modéliser avec une grande fidélité l'impact physiologique et mécanistique de la microgravité et du rayonnement spatial4En utilisant des cellules provenant de donneurs, les puces tissulaires peuvent également servir à étudier la sensibilité de l'astronaute à la microgravité et aux radiations spatiales, et à élaborer des contre-mesures préventives5. Au cours des cinq dernières années, plusieurs systèmes organiques, notamment le cerveau, le foie, l'intestin, les vaisseaux sanguins, le cœur, le rein et les poumons, ont été modélisés à l'aide de puces tissulaires et lancés à bord de la Station spatiale internationale (ISS)6. In vivo, les organes sont perfusés par le système vascululaire à des degrés variables, ce qui détermine leur physiologie – par exemple, le foie est fortement vascularisé, tandis que le cartilage l'est beaucoup moins. Par conséquent, afin de reproduire fidèlement la fonction organique in vitro, une prise en compte importante dans le développement de systèmes « organe-sur-puce » est l'intégration d'un flux de fluide au sein des tissus et des cellules.
La microfluidique a été utilisée pour perfuser des cellules et des tissus dans des systèmes organe-sur-puce7,8. Des niveaux appropriés d'écoulement du fluide soutiennent non seulement le transport des nutriments vers l'intérieur du système et l'élimination des déchets, mais maintiennent également les contraintes de cisaillement physiologiques subies par les cellules. Toutefois, à de petites échelles, les bulles constituent un défi persistant aux interfaces de phase, entraînant des mesures inexactes, des dommages et des obstructions9. Pour atténuer ce problème, des pièges à bulles aux conceptions actives (par exemple, dégazage sous vide ou champs externes tels que des champs acoustiques ou thermiques) et passives (par exemple, une membrane semi-perméable dépendant des propriétés de surface) ont été utilisés10,11. Toutefois, ces conceptions de débullateurs microfluidiques augmentent la complexité de la fabrication du dispositif, compromettent l'intégrité de l'échantillon et provoquent des colmatages ainsi que des ruptures de la barrière. Ces problèmes s'aggravent dans l'espace, où la nucléation et la formation de bulles sont beaucoup plus marquées, et où les stratégies d'atténuation des bulles efficaces sur Terre deviennent largement inefficaces12. Des analogues terrestres de la microgravité peuvent être générés à l'aide d'appareils tels qu'un réacteur à paroi tournante (RWV) ou une machine de positionnement aléatoire (RPM)13,14. Notamment, dans la RPM, le vecteur gravitationnel est continuellement réorienté, annulant ainsi presque entièrement le stimulus gravitationnel net moyenné dans le temps sur l'échantillon. Nous avons récemment décrit la conception, la fabrication et l'application d'un piège à bulles indépendant de l'orientation pour la culture en perfusion de cellules endothéliales sous microgravité simulée à l'aide d'une RPM15. Dans cet article, nous détaillons l'assemblage et le fonctionnement étape par étape d'un système de perfusion en boucle fermée utilisant ce piège à bulles indépendant de l'orientation, et nous démontrons son applicabilité pour la culture de cellules endothéliales de veine ombilicale humaine en tant que modèle de culture cellulaire continue en microgravité simulée.
Le système en boucle fermée est composé d'un microcontrôleur avec un pilote de moteur pour le fonctionnement de la micropompe contrôlée en fréquence et en tension, d'un capteur de débit de liquide, d'un piège à bulles15 et d'un canal microfluidique contenant des cellules endothéliales adhérentes. Les composants spécifiques sont détaillés dans le tableau des matériaux. Les protocoles ci-dessous décrivent l'assemblage de l'électronique du système (Étape 1), l'assemblage de la partie fluidique (Étape 2), la stérilisation et l'amorçage (Étapes 3 et 4), l'intégration de la culture cellulaire microfluidique (Étape 4), l'assemblage des micropompes et du contrôleur (Étape 5), ainsi que l'assemblage complet du système dans un boîtier (Étape 6). Le système de circulation en boucle fermée a été monté au-dessus du RPM afin de simuler la microgravité à l'aide d'un boîtier sur mesure (Étape 7).