Projet ANR-10-BLAN-1514 – CAPCELL : Capsules à cœur aqueux : un outil polyvalent pour la culture cellulaire parallélisée et confinée en 3D
Programme : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Jérôme Bibette (CNRS - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B)
Partenaires : Physicochimie des Électrolytes, Colloïdes et Sciences Analytiques; Institut Curie; Institut Curie; Institut d'Optique Graduate School
Montant : 457162.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Capsules à cœur aqueux : un outil polyvalent pour la culture cellulaire parallélisée et confinéeL’objectif global de ce projet est de développer une nouvelle technologie d’encapsulation de cellules et d’en faire un outil qui soit à la fois utilisable en routine dans les laboratoires de biologie pour la culture cellulaire à 3 dimensions et adapté pour explorer des propriétés mécaniques et biologiques d’agrégats cellulaires en croissance intrinsèques à la configuration 3D de tissus et à leur confinement.
Vers un nouvel outil polyvalent pour la culture cellulaireUn des défis actuels importants de la biologie est d’amener les études faites actuellement en boîte de Pétri sur des monocouches de cellules à un niveau 3D, physiologiquement plus pertinent. L’objectif global de ce projet est de développer une nouvelle technologie d’encapsulation de cellules et d’en faire un outil qui soit à la fois, utilisable en routine dans les laboratoires de biologie pour la culture cellulaire à 3 dimensions, et adapté pour explorer des propriétés mécaniques et biologiques d’agrégats cellulaires en croissance intrinsèques à la configuration 3D de tissus et à leur confinement. Des applications biomédicales à plus long terme sont attendues comme par exemple le diagnostic du potentiel métastatique de tumeurs précoces ou bien l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles dans le traitement du cancer.
Des capsules à cœur liquide comme nouveaux réservoirs biologiquesCe projet repose sur le développement d’une nouvelle technologie d’encapsulation de cellules basée sur un procédé de formation de capsules à cœur liquide possédant une fine membrane d’hydrogel. Un injecteur réalisé par des méthodes de microfabrication permet d’obtenir une fragmentation contrôlée d’un jet composé d’un cœur contenant les cellules et d’une couche extérieure contenant un polymère qui constituera la membrane d’hydrogel des capsules. La membrane d’hydrogel offre une protection physique et donc une manipulation plus aisée des cellules encapsulées tout en laissant diffuser librement les nutriments et l’oxygène nécessaires à leur développement.
Résumé de la soumission : Grâce à l’émergence de la microfluidique, la compartimentalisation de molécules biologiques ou de cellules dans des gouttes, des vésicules ou des matrices structurantes, a permis de développer une nouvelle génération de chemostats parallélisés et de transporteurs protégés. Ceux-ci ont surtout été utilisés dans les domaines de l’évolution dirigée, le relargage de médicaments ou la transplantation de cellules immunes isolées. Bien que toutes ces approches reposent sur le même principe d’encapsulation, la conception des compartiments nécessite d’être finement ajustée selon la nature de l’application biologique visée. Lorsqu’ils contiennent des cellules, ces chemostats doivent par exemple  permettre un échange de nutriments et d’oxygène avec le milieu environnant. Dans le contexte du projet, nous nous concentrerons sur l’encapsulation de cellules eucaryotes. Notons que l’expression « encapsulation de cellules » est souvent abusivement employée pour décrire le piégeage de cellules dans des matrices d’hydrogels pour des applications d’immuno-isolement. Ici, nous proposons une nouvelle stratégie basée sur la technologie microfluidique afin de réellement encapsuler des cellules dans des capsules à cœur aqueux.  Par conséquent, notre approche permettra d’explorer différentes applications et de répondre à des questions originales dans les domaines de la biophysique et biologie cellulaire. Nous appuyant sur des résultats préliminaires encourageants, nous proposons un projet multidisciplinaire, à l’interface entre la science des matériaux, la physicochimie, la biophysique cellulaire et la biologie cellulaire. Tout d’abord, nous développerons une technologie polyvalente pour la culture cellulaire 3D permettant la formation contrôlée et parallélisée de sphéroïdes cellulaires. Notre stratégie repose sur la production de capsules à cœur aqueux constituées d’une membrane en hydrogel d’alginate qui est biocompatible, perméable et souple. Elles seront fabriquées à l’aide d’un système de co-extrusion, qui a déjà était validé par un des partenaires, et qui sera intégré à un dispositif de dimension submillimétrique. Un des aspects importants du travail proposé sera dédié à la fabrication contrôlée et automatique des capsules ainsi qu’à la caractérisation de leurs propriétés physicochimiques. Nous espérons que la technologie résultante pourra être utilisée en routine dans des laboratoires de biologie cellulaire pour réaliser des cultures cellulaires parallélisées et confinées en 3D.Après avoir validé que notre procédure de formation des capsules permet une encapsulation polyvalente et une croissance de cellules dans des conditions qui ne compromettent pas leur viabilité et n’affectent pas leur cycle de division, nous étudierons des propriétés physiques de la croissance de sphéroïdes cellulaires. Pour cela, nous exploiterons le caractère souple de l’hydrogel d’alginate et la géométrie particulière de sphère creuse de nos capsules pour les utiliser comme détecteur mécanique de la contrainte exercée par l’expansion du sphéroïde confiné. Une application pour le diagnostic du potentiel métastatique de tumeurs précoces sera envisagée.Enfin, le confinement 3D de cellules semble propice à la simulation de quelques uns des paramètres (eg. rigidité, hypoxie, …) que des cellules rencontrent à l’intérieur ou à proximité d’une masse tumorale. Nous étudierons les répercussions du confinement 3D de cellules sur la réponse biologique même de la cellule. En particulier, nous utiliserons le potentiel de parallèlisation de la méthode pour cribler et identifier de nouvelles voiesde signalisation de mécano-transduction en utilisant une nouvelle plateforme d’analyse protéomique, et pour disséquer le rôle mécanosensible des cavéoles,  des invaginations spécialisées de la membrane plasmique, dans la croissance cellulaire et la progression tumorale.
Résultats : Les résultats majeurs sont tout d’abord la réalisation d’un prototype de machine fluidique permettant la génération de capsules calibrées possédant un cœur liquide pouvant contenir tout type de lignée cellulaire et donc permettre leur culture dans un environnement confiné à trois dimensions. Le confinement et donc les contraintes mécaniques générées par les capsules induit une modification remarquable sur la croissance d’agrégats cellulaires : les cellules situées sur une couche périphérique présentent une grande motilité. Cela suggère que les contraintes mécaniques imposées par l’environnement extra-cellulaire pourraient déclencher l’invasion de cellules depuis une tumeur en croissance.
Perspectives : La perspective de la création d’un nouvel outil pour la culture cellulaire est de plus en plus tangible. La génération à haut débit des capsules ouvre la voie vers des études de criblage comme par exemple l’action de drogues sur le développement d’agrégats de cellules cancéreuses.
Publications et brevets : Un article publié dans la revue PNAS résume une part importante des résultats obtenus dans le cadre de ce projet. Deux articles de revue concernant la signalisation intra-cellulaire et la mécanique des cellules ont également été publiés. Trois articles portant sur le procédé de fabrication des capsules, leurs propriétés physicochimiques et une extension vers des compartiments cylindriques sont en cours de rédaction. Deux brevets sur le principe d’encapsulation de cellules mammifères et pour la production de globules rouges à partir de cellules souches dans les capsules ont été déposés.