ANIMAUX MODÈLES, biologie

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Méthodes substitutives in vitro aux modèles animaux 

Malgré la réglementation très stricte et contrôlée du recours aux animaux en recherche, leur utilisation reste très contestée par les non-scientifiques. L’usage de modèles animaux restera nécessaire longtemps encore mais, dans le but de réduire encore leur utilisation, les scientifiques mettent au point de plus en plus d’outils in vitro pour étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires, normaux comme pathologiques, et ainsi chercher de nouvelles solutions thérapeutiques. Ces approches novatrices reposent sur différentes techniques de culture de cellules in vitro. De la culture bidimensionnelle de cellules à celle de cellules en agrégats tridimensionnels, en passant par les puces microfluidiques, chacune de ces techniques offre des avantages et des inconvénients à prendre en compte selon la question scientifique posée.

Les lignées cellulaires adhérentes

Depuis de nombreuses décennies – la première mise en culture au long terme de cellules animales remonte à 1912 –, les scientifiques utilisent en routine des lignées cellulaires, cellules dites « immortelles », leur culture – division cellulaire in vitro – pouvant s’effectuer indéfiniment tant qu’elles sont en présence d’oxygène et d’un milieu nutritif. Ces cellules peuvent avoir été « immortalisées » de manière naturelle, telles les cellules cancéreuses, ou avoir été génétiquement modifiées – par l’introduction de gènes permettant à ces cellules de proliférer de manière illimitée. Cultivées dans des conditions dites adhérentes, ces cellules vont former un tapis cellulaire en 2D sur le fond du récipient où elles se trouvent (boîte de Pétri, flasque, etc.). Ces lignées cellulaires ont l’avantage d’être commercialisées, facilement cultivables et peu coûteuses. Ce type de culture a permis de caractériser les cellules in vitro et de fournir des informations sur la fonction des différents organes, sans avoir recours aux animaux. De plus, elles ont permis de déterminer certains effets de l’environnement (UV, pesticides, pollution, fumée de cigarette…), de la nourriture et d’agents pathogènes (bactéries, virus…) sur les cellules de la peau, du poumon, du cerveau, du foie ou encore de l’intestin. Manipuler les gènes au sein de ces cellules ou utiliser des lignées cellulaires issues d’animaux ou de patients malades a conduit à identifier certains mécanismes pathologiques d’affections neurologiques (maladies d’Alzheimer et de Parkinson), de cancers, ou encore de maladies métaboliques (diabète de type 2, maladies cardiovasculaires). Enfin, ces lignées cellulaires sont souvent utilisées dans les études pharmacologiques (tests et découverte de nouveaux médicaments).

Bien que cette stratégie soit très avantageuse, il est important de noter qu’au fil des divisions cellulaires ces lignées de cellules s’écartent progressivement des caractéristiques de la souche mère. Ainsi, en fonction des conditions de culture, du nombre de divisions et de l’accumulation de mutations génétiques aléatoires au cours du temps, une même lignée d’origine pourra évoluer de façon différente selon les laboratoires, ce qui amènera à des problèmes de reproductibilité des résultats. Par ailleurs, ce type de culture cellulaire ne reflète pas toute la physiologie du tissu, qu’il soit sain ou pathologique. Les tissus sont en effet des associations de cellules de types différents, associés selon une organisation topologique précise.

La culture de cellule en trois dimensions

La culture de cellule en 3D est une méthode physiologiquement pertinente avec un fort potentiel clinique. Ce type de culture récapitule de nombreuses caractéristiques de l’in vivo, telles que la morphologie, les interactions entre cellules, la polarité cellulaire, l’expression des gènes et l’architecture du tissu d’origine. Il existe différents types de culture cellulaire en 3D, dont le choix va dépendre du type cellulaire et de son origine, et de l’objectif de l’étude. Cette méthode se divise en deux grands axes : les techniques n’utilisant pas de matrice extracellulaire et celles en utilisant.

La culture de sphéroïdes multicellulaires

Les sphéroïdes multicellulaires sont des agrégats cellulaires sphériques qui se développent en 3D, sans matrice extracellulaire et peuvent être cultivés au long terme pendant plusieurs mois. La plupart des lignées cellulaires cultivées en 2D ont été adaptées de ce type de méthode. Cependant, on peut aussi produire des sphéroïdes à partir de cellules primaires, c’est-à-dire à partir d’un seul ou de plusieurs types cellulaires, provenant de biopsies humaines. Beaucoup de sphéroïdes multicellulaires ont été développés incluant les sphéroïdes tumoraux, les neurosphères, les mammosphères, les hépatosphères ou encore les corps embryoïdes.

Structure d’un sphéroïde multicellulaire tumoral

Dessin : Structure d’un sphéroïde multicellulaire tumoral

Les sphéroïdes sont caractérisés par une zone externe au sein de laquelle les cellules prolifèrent et une zone interne au sein de laquelle se trouvent les cellules au repos. Celle-ci entoure elle-même un noyau de cellules en train de mourir, mort causée par le gradient décroissant de... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Afin de s’approcher de la complexité d’un organe ou d’une tumeur, ces sphéroïdes peuvent être construits en utilisant plusieurs types cellulaires, incluant des cellules épithéliales, des fibroblastes (structures fibreuses), des cellules endothéliales (pour étudier la formation de vaisseaux sanguins), et(ou) des cellules immunitaires, pour étudier l’interaction entre ces différents composants. Pour cela, soit les deux types cellulaires sont mélangés dans une même suspension et les sphéroïdes se forment à partir de ce mélange, soit les sphéroïdes sont formés à partir d’un seul type cellulaire et cultivés sur un tapis de cellules d’un autre type, ce qui permet leur interaction. Enfin, il est possible de cultiver des sphéroïdes intestinaux avec des bactéries associées au cancer colorectal afin d’étudier l’impact du microbiote sur la formation de tumeurs du côlon. Il est important de souligner qu’il est difficile de contrôler la taille et la composition cellulaire (cellules souches, cellules prolifératives, et cellules différenciées) de ces sphéroïdes, ce qui peut conduire à des problèmes d’hétérogénéité entre échantillons, à prendre en compte dans les études.

Avec un faible coût, une architecture et une complexité cellulaire qui se rapprochent de celle du tissu d’origine, les sphéroïdes multicellulaires représentent une technique très prisée en cancérologie pour étudier la biologie de la tumeur, mais aussi pour les études pharmacologiques, la biologie des cellules souches et la médecine régénérative.

La culture des organoïdes 

Contrairement au cas des sphéroïdes, la technique de culture en 3D des organoïdes, repose sur l’utilisation d’une matrice extracellulaire. Il existe à ce jour plusieurs méthodes, la plus répandue est sans doute celle des « mini-organes », développée en 2009 par le groupe de Hans Clevers à Utrecht (Pays-Bas). Ces organes miniaturisés se développent dans une matrice en 3D constituée de protéines structurales et du cytosquelette (collagène, laminine, vitronectine et fibronectine), sans dérives génétiques, jusqu’à huit mois de culture in vitro. Ils sont dérivés [...]

Les différentes méthodes pour cocultiver des organoïdes avec d’autres types cellulaires

Dessin : Les différentes méthodes pour cocultiver des organoïdes avec d’autres types cellulaires

À gauche, les organoïdes sont mélangés avec d'autres cellules et inclus dans la matrice extracellulaire. Au milieu, les organoïdes sont cultivées sur un tapis cellulaire. À droite, les organoïdes sont cultivés dans un insert et les autres cellules sont cultivées au fond de la boîte de... 

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Structure d’un sphéroïde multicellulaire tumoral

Structure d’un sphéroïde multicellulaire tumoral
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Les différentes méthodes pour cocultiver des organoïdes avec d’autres types cellulaires
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Écrit par :

  • : chercheur en histoire des sciences, université Paris-VII-Denis-Diderot, ancien chef de service à l'Institut Pasteur
  • : docteure, postdoctorante, Kennedy Institute, Oxford University, Oxford (Royaume-uni)

Autres références

«  ANIMAUX MODÈLES, biologie  » est également traité dans :

TÉRATOMES ET TÉRATOCARCINOMES

  • Écrit par 
  • Gabriel GACHELIN
  •  • 1 085 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « Biologie expérimentale des embryons »  : […] Ce sont précisément ces cellules capables de toutes différenciations (totipotentes) qui ont attiré l'attention des biologistes à partir des années 1960. En effet, si les tératomes ont été décrits par les médecins vers 1890, leur étude expérimentale débute vers 1955 lorsque LeRoy Stevens, chercheur au Jackson Laboratory dans le Maine (États-Unis), caractérise une souche de souris qui développe un […] Lire la suite

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Pour citer l’article

Gabriel GACHELIN, Emmanuelle SIDOT, « ANIMAUX MODÈLES, biologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/animaux-modeles-biologie/