Micro-échelle d'ingénierie de biologie cellulaire
1 octobre 2007
Joel Goldman. Je suis professeur agrégé de génie électrique et d'informatique au MIT. Je suis ici depuis cinq ans.
Et de manière générale, nous travaillons sur un mélange d'ingénierie à l'échelle microscopique appliquée à la biologie cellulaire. Notre recherche se concentre sur deux domaines principaux. L'un concerne la cytométrie cellulaire en général, qui consiste par exemple à concevoir des plateformes à l'échelle microscopique pour trier les cellules.
Une grande partie repose sur la capacité de trier après la microscopie, c’est-à-dire d’observer puis d’isoler différentes cellules, ou de créer des réseaux prédéfinis de cellules selon le type cellulaire A associé au type cellulaire B, exposés au stimulus C, et des fonctionnalités de ce type. L’autre moitié du laboratoire se concentre sur les microtechnologies appliquées à la biologie des cellules souches. Le principal axe de recherche porte ici sur les cellules souches embryonnaires, en s’intéressant surtout à l’auto-renouvellement.
Et nous réalisons plusieurs types d'expériences. Nous effectuons des cultures en microfluidique où nous utilisons une perfusion liquide afin d'obtenir un meilleur contrôle des signaux diffusibles. Nous réalisons également un agencement spatial des colonies afin de pouvoir contrôler les interactions entre colonies.
Ensuite, nous procédons au dessin des cellules, et c'est là qu'intervient la puce bio-flip, un dispositif permettant essentiellement de transporter des cellules individuelles et de les placer en configurations définies. Étudier les cellules sur la plaque constitue une approche fantastique, et nous avons pu apprendre énormément sur la biologie des cellules souches au cours des 25 dernières années en réalisant des expériences sur plaque. C'est donc une excellente méthode, et si elle fonctionne, vous devriez l'utiliser.
Mais il existe des moments où le contrôle supplémentaire, jusqu'à l'échelle de la taille des cellules, est important. Il n'est pas difficile d'imaginer, lorsque l'on considère à quel point le développement est strictement régulé in vivo, que la capacité de contrôler, de manière dépendante du temps et à l'échelle cellulaire, les cellules avec lesquelles elles interagissent, le substrat sur lequel elles se trouvent et le milieu dans lequel elles baignent, jouera un rôle crucial dans le développement des tissus. Concernant la morphogenèse et des événements de ce type, il est avantageux, lors du développement d'une thérapie, de bien comprendre la biologie fondamentale expliquant pourquoi un phénomène se produit.
Ainsi, bon nombre de nos dispositifs visent à pouvoir démêler ces questions fondamentales, des questions de base telles que : pourquoi les cellules, pourquoi les cellules souches embryonnaires décident-elles de s'auto-renouveler ? S'auto-renouveler plutôt que de se différencier. Ensuite, il y a aussi la question de l'augmentation de la production : si vous cherchez à l'augmenter, vous souhaitez comprendre quels facteurs sont importants dans ce processus de montée en échelle.
Et donc, par exemple, concernant la puce bio-inversée, nous commençons à nous poser des questions sur les conditions à respecter, sur la manière dont vous devez propager les cellules, sur la façon dont vous devez propager les cellules afin de maximiser ce qui vous intéresse, comme l'efficacité de mise en culture des cellules indifférenciées, et ainsi de suite. Ainsi, ce type de problématiques. Ensuite, troisièmement, en lien avec cela, vous savez, l'ensemble des questions relatives au fait que les cellules souches embryonnaires de souris sont différentes des cellules souches embryonnaires humaines ?
En quoi sont-ils différents ? S'agit-il d'un artefact culturel ? Est-ce fondamental ?
Ce type de questions. Je pense que, au cours des cinq à dix prochaines années, on commencera effectivement à voir apparaître de nouvelles thérapies issues de cellules souches embryonnaires, ce qui n’a pas encore été démontré à ce jour. Mais vous savez, certains travaux récents concernant la reprogrammation, ainsi que certains résultats auxquels les chercheurs parviennent, sont très, très impressionnants.
Ainsi, je pense que, alors que je disais il y a quelques années qu'il était à 20 ans de distance, maintenant je pense qu'il est plus proche de cinq à dix ans.
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Aperçu
Joel Goldman, professeur associé au MIT, se concentre sur l'ingénierie à l'échelle microscopique appliquée à la biologie cellulaire. Ses recherches portent principalement sur la cytométrie cellulaire et le développement de plateformes à l'échelle microscopique pour le tri cellulaire.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Biologie cellulaire
- Ingénierie à l'échelle microscopique
- Cytométrie cellulaire
Contexte
- Recherche sur les techniques de tri cellulaire.
- Application de principes d'ingénierie dans des contextes biologiques.
- Développement de plateformes innovantes à l'échelle microscopique.
- Démarche interdisciplinaire combinant ingénierie et biologie.
Objectif de l'étude
- Améliorer les méthodologies de tri cellulaire.
- Créer des plateformes efficaces à l'échelle microscopique pour des applications biologiques.
- Faire progresser la compréhension du comportement cellulaire grâce à des solutions d'ingénierie.
Méthodes utilisées
- Techniques de micro-ingénierie.
- Méthodologies de tri cellulaire.
- Conception expérimentale pour les applications biologiques.
- Intégration de la recherche en ingénierie et en biologie.
Résultats principaux
- Développement de nouvelles plates-formes à micro-échelle.
- Amélioration des techniques de tri cellulaire.
- Acquisition de connaissances sur le comportement cellulaire grâce à des solutions conçues.
- Application réussie de l'ingénierie en biologie cellulaire.
Conclusions
- Le génie microéchelle améliore considérablement la recherche en biologie cellulaire.
- Des plateformes innovantes peuvent conduire à des percées dans le tri cellulaire.
- Les approches interdisciplinaires sont essentielles pour faire progresser les connaissances scientifiques.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle
L'ingénierie à l'échelle microscopique permet un contrôle précis des microenvironnements cellulaires, soutenant la réduction mécanistique des risques en biologie des cellules souches et la validation ciblée pour les thérapies régénératives. En concevant des configurations cellulaires définies et des conditions de signalisation précises, les chercheurs peuvent étudier les mécanismes fondamentaux de l'auto-renouvellement et de la différenciation, améliorant ainsi la fiabilité prédictive des modèles précliniques. Cette approche établit un lien entre la biologie fondamentale et la pertinence translationnelle en réduisant l'ambiguïté des décisions concernant le destin cellulaire, essentielles au développement thérapeutique.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet d'interroger des hypothèses thérapeutiques en contrôlant les interactions cellulaires, la composition du substrat et l'exposition aux facteurs solubles à des échelles physiologiquement pertinentes.
- Valeur opérationnelle : Facilite la validation fonctionnelle des cibles grâce à des réseaux définis de co-cultures et à des tests de réponse aux stimuli dans des systèmes de cellules souches.
- Valeur prédictive : Renforce la confiance dans l'identification des candidats prometteurs en élucidant les mécanismes régissant les décisions de destin des cellules souches dans des conditions microenvironnementales contrôlées.
Développement de tests et criblage
- Prêt-à-l'emploi des tests : Les plateformes microéchelle, telles que la puce bio inversée, facilitent la préparation de réseaux cellulaires standardisés pour des criblages reproductibles de composés ou de stimuli.
- Résultats quantitatifs : Permet la mesure de l'efficacité de semis, de la formation de colonies et des marqueurs de différenciation en tant que variables dépendantes dans les flux de criblage.
- Extensibilité et réutilisation : Permet une adaptation à différents systèmes modèles (par exemple, cellules souches murines par rapport à humaines) afin d'évaluer les réponses spécifiques à l'espèce en phase de découverte précoce.
Recherche translationnelle et préclinique
- Continuité translationnelle : Permet l'étude des différences propres à chaque espèce en matière de comportement des cellules souches, ce qui éclaire l'alignement des biomarqueurs translationnels et le choix des modèles précliniques.
- Réduction du risque mécanistique : Autorise un contrôle dépendant du temps des composants du compartiment pour imiter la signalisation du développement, réduisant ainsi l'incertitude dans les prévisions de morphogenèse tissulaire.
- Progression ajustée au risque : Fournit des données sur les facteurs d'échelle pertinents pour les considérations de fabrication des thérapies dérivées des cellules souches.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La technologie s'intègre aux étapes allant de la découverte précoce au développement préclinique en permettant une investigation fondée sur des hypothèses du comportement cellulaire, en soutenant la standardisation des tests et en éclairant les décisions translationnelles grâce au contrôle du microenvironnement.
- Biologie de la découverte : Facilite la clarification des voies biologiques et la réduction des risques biologiques en isolant les variables des interactions entre cellules souches et leur niche.
- Criblage : Assure la préparation des tests grâce à un agencement standardisé des cellules et à une culture basée sur la perfusion, permettant une exposition constante aux stimuli.
- Analytique : Produit des données quantitatives sur les réponses cellulaires (par exemple, auto-renouvellement versus différenciation), permettant une analyse comparative entre conditions.
- Recherche translationnelle : Relie la découverte à la recherche préclinique en modélisant des conditions de niche pertinentes pour l'humain et en identifiant des mécanismes régulateurs conservés.
- Réutilisation en entreprise : Constitue une plateforme modulaire adaptable à de multiples types cellulaires et conceptions expérimentales dans divers projets de découverte.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Réduit l'ambiguïté mécanistique en biologie des cellules souches grâce à un contrôle précis des microenvironnements cellulaires dans l'espace et le temps.
- Valeur opérationnelle : Améliore la reproductibilité et la standardisation des tests sur les cellules souches par l'utilisation de contraintes géométriques et fluidiques définies.
- Valeur stratégique : Affine les décisions d'orientation (go/no-go) en renforçant la confiance dans la validité du mécanisme ciblé et en réduisant le risque d'échec biologique en phase avancée.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation ajustée au risque des candidats fondés sur les cellules souches, grâce à une modélisation prédictive améliorée des résultats de différenciation.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en fabrication à micro-échelle, en microfluidique et en techniques de culture de cellules souches.
- Dépend de l'accès à des infrastructures de lithographie douce, de moulage en PDMS et de microscopie à fluorescence.
- Implique la mise en place de protocoles de standardisation pour l'ensemencement cellulaire, le contrôle de la perfusion et la surveillance environnementale entre équipes.
- Suppose des adaptations lors de la transposition des plateformes des systèmes de cellules souches murins à humains, en raison de besoins niches différents.
- Est limité par des contraintes de débit lors du passage à l'échelle de la manipulation de cellules uniques pour des campagnes de criblage à grande échelle.
