L'équipe de recherche dirigée par le professeur Sato à Keio University a développé une nouvelle technologie présentant des applications potentielles dans la recherche sur les maladies du foie, l'évaluation des médicaments et la transplantation cellulaire. En définitive, ces avancées signalent que la recherche sur le foie entre dans une nouvelle ère transformatrice.

Le foie est un organe multifonctionnel essentiel à la survie, métabolisant les glucides, les lipides et les protéines, détoxifiant les médicaments, et synthétisant et sécrétant les acides biliaires. Cependant, les hépatocytes humains primaires sont difficiles à maintenir en culture ex vivo à long terme, ce qui a limité leur utilisation dans la découverte de médicaments et la recherche sur les maladies.

Pour surmonter ces limitations, une équipe de recherche dirigée par le professeur Toshiro Sato du département de biochimie, Keio University faculté de médecine, a mis au point une technologie d'organoïdes d'hépatocytes permettant une culture à long terme tout en préservant les fonctions hépatocellulaires. En utilisant cette approche, l'équipe a réussi à développer un modèle fonctionnel qui récapitule les fonctions hépatiques clés, notamment le métabolisme des médicaments, la synthèse des acides biliaires et le cycle de l'urée.

Ces résultats devraient avoir de vastes applications, notamment dans les tests de toxicité lors de la découverte de médicaments, l'élucidation de la physiopathologie des maladies hépatiques stéatosiques et le développement de la médecine régénérative par la transplantation cellulaire.

À propos des chercheurs

Dr Toshiro Sato
Professeur au Département de médecine intégrée et de biochimie de la Faculté de médecine de Keio University

Le professeur Sato a apporté des contributions importantes à la recherche sur les organoïdes dans de nombreux organes, notamment l'intestin, le foie et le pancréas, et participe au développement de technologies permettant de reconstruire des tissus fonctionnels à partir de cellules souches tissulaires. Il est directeur de projet pour plusieurs programmes de recherche, notamment le Japan Science and Technology Agency (JST) ERATO Sato Organoid Design Project, et dirige des recherches sur les organoïdes à l'échelle nationale et internationale.

Dr. Ryo Igarashi
Professeur assistant de projet, Département de médecine intégrée et de biochimie, Faculté de médecine de Keio University

Le Dr Igarashi est spécialisé dans les technologies de culture d'organoïdes d'hépatocytes et les analyses fonctionnelles. Il est engagé dans la construction de modèles de maladies du foie et dans l'évaluation des réponses aux médicaments.

Sur quels domaines de recherche sur les organoïdes travaillez-vous actuellement ?

Professeur Sato : Nous travaillons actuellement au développement d'organoïdes fonctionnels qui reconstruisent non seulement la morphologie des organes, mais aussi leurs fonctions, à l'aide d'organoïdes d'origine humaine. Plus particulièrement, grâce au projet de conception d'organoïdes JST ERATO Sato, nous visons à reproduire les réseaux qui régulent l'homéostasie physiologique à partir de cellules souches tissulaires. Nous faisons également progresser la construction d'organoïdes dotés de fonctions complexes, telles que l'absorption, le métabolisme, la sécrétion et la transduction de signaux, dans des organes tels que le foie, l'intestin et le pancréas.

Comment les organoïdes hépatocytaires fonctionnels ont-ils été développés pour reproduire les fonctions clés du foie in vitro ?

Professeur Sato : Le foie remplit de nombreuses fonctions essentielles, telles que le métabolisme des glucides, des lipides et des protéines, la détoxification des médicaments et la synthèse des acides biliaires. Si des modèles in vitro capables de reproduire ces fonctions étaient disponibles, ils faciliteraient grandement la découverte de médicaments, l'évaluation de la toxicité et l'étude des mécanismes des maladies.

Cependant, les hépatocytes humains primaires conventionnels (PHH) perdent rapidement leur fonctionnalité après isolement, les rendant inadaptés à la culture à long terme et à la manipulation génétique. Pour remédier à cette limitation, nous avons utilisé des PHHs comme matériau de départ pour générer des organoïdes d'hépatocytes prolifératifs, également appelés organoïdes d'hépatocytes humains en expansion (eHHOs). Par induction de différenciation ultérieure, nous avons développé des organoïdes d'hépatocytes humains différenciés (dHHO) qui présentent une expression accrue des enzymes métabolisant les médicaments, des enzymes du cycle de l'urée et des enzymes synthétisant les acides biliaires.

Cette recherche, menée dans le cadre du projet JST ERATO, vise à établir les organoïdes non seulement comme des « mini-organes », mais comme des « modèles fonctionnels » qui reproduisent les fonctions intrinsèques des organes in vitro. Pour le foie, il est particulièrement important de construire des modèles qui reproduisent les structures et fonctions in vivo, telles que la zonation² et les structures canaliculaires biliaires responsables de l'excrétion de la bile. Cette avancée constitue une étape importante dans cette direction.

Dr. Igarashi : Les PHH sont très précieux, mais leur utilisation a été limitée par la variabilité de leur viabilité et de leur fonction. Grâce à la technologie actuelle, nous avons obtenu une culture stable d'eHHOs dérivés de PHH pendant plus de 100 jours, atteignant une expansion supérieure à un million de fois. Grâce à l'induction de la différenciation, nous avons pu reproduire diverses fonctions hépatocellulaires in vitro à des niveaux comparables à ceux observés in vivo. Ces organoïdes peuvent également servir de modèles pour la stéatose hépatique et les troubles métaboliques congénitaux, reflétant des caractéristiques telles que l’accumulation de gouttelettes lipidiques³ et les réponses aux médicaments. Elles ont le potentiel d'améliorer considérablement la reproductibilité des maladies et d'accroître la précision de l'évaluation des médicaments.

² Zonation: Les hépatocytes du tissu hépatique ne sont pas homogènes ; le foie est constitué de nombreuses structures lobulaires, chacune ayant des fonctions métaboliques distinctes attribuées à des régions spécifiques. Cette organisation, appelée zonation, entraîne une régulation régionale des activités telles que la gluconéogenèse, le cycle de l'urée et le métabolisme des médicaments.

³ Gouttelettes lipidiques : Structures sphériques de petite taille composées principalement de lipides neutres qui s'accumulent à l'intérieur des cellules. Dans les hépatocytes, l'accumulation de gouttelettes lipidiques constitue un marqueur clé de la maladie hépatique stéatosique , ce qui en fait un paramètre essentiel à surveiller dans les modèles organoïdes.

Comment la technologie d’imagerie avancée soutient-elle la visualisation et l’analyse de la structure et de la fonction des organoïdes ?

Professeur Sato : Les organoïdes d'hépatocytes sont relativement épais, ce qui peut rendre l'observation des structures internes difficile. La méthode par contraste de gradient intégrée au microscope à fluorescence de paillasse APEXVIEW™ APX100 permet de surmonter cette limitation, offrant une visualisation nette des détails fins des gouttelettes lipidiques (Figure 1a). En particulier dans l'évaluation des modèles de maladies hépatiques stéatosiques, la capacité à visualiser à la fois l'accumulation et la distribution spatiale de ces gouttelettes constitue un indicateur essentiel pour valider la reproductibilité de la maladie.

La méthode par contraste par gradient génère des images à contraste élevé même dans des récipients de culture en plastique standard, permettant une observation de haute qualité sans modifier les conditions de culture habituelles. De plus, le système prend en charge des objectifs à longue distance de travail, permettant une imagerie claire des organoïdes situés à des positions élevées dans le Matrigel (Figure 1b). La possibilité de surveiller directement l'état des organoïdes au cours de leur culture quotidienne, sans récipients ni préparations spécifiques, offre des avantages considérables en termes d'efficacité et de reproductibilité de la recherche.

Dr. Igarashi : Pour l’imagerie par fluorescence ou l’acquisition de données quantitatives, obtenir des données fiables de manière efficace est essentiel. L’APX100 peut accueillir jusqu’à trois lames simultanément, permettant une localisation rapide au niveau macroscopique et une utilisation intuitive via le Process Manager, qui facilite l’acquisition d’images mosaïquées. Sa capacité à produire des images haute résolution sur de larges surfaces en un temps réduit permet une évaluation uniforme de l’architecture tissulaire globale et des structures locales.

Dans le cadre de cette étude, les images obtenues avec l’APX100 ont clairement montré que les organoïdes d’hépatocytes humains transplantés dans le foie de souris se différenciaient et reproduisaient la structure de zonation hépatique, avec une répartition des fonctions métaboliques allant de la veine porte⁴ à la veine centrale⁵ (Figure 2).

En combinant l’acquisition d’images haute fidélité avec l’efficacité opérationnelle, l’APX100 constitue un outil puissant pour rationaliser les activités de recherche quotidiennes.

⁴ Veine porte : La veine porte, structure clé du lobule hépatique, transporte vers le foie les nutriments absorbés par le tube digestif, notamment les intestins. Les hépatocytes entourant la veine porte assurent des fonctions liées au métabolisme des nutriments, telles que la gluconéogenèse et la détoxification de l'ammoniaque.

⁵ Veine centrale : Une structure située à l'intérieur du lobule hépatique qui recueille le sang traité par les hépatocytes et le draine dans la circulation systémique. Les hépatocytes entourant la veine centrale effectuent des fonctions telles que le métabolisme des médicaments et des lipides.

⁶ STEM121: Un anticorps qui reconnaît un antigène spécifiquement exprimé dans les cellules humaines, utilisé comme marqueur pour identifier les cellules humaines greffées dans un tissu de souris.

⁷ HAL (histidine ammoniaque-lyase) : Une enzyme fortement exprimée dans les hépatocytes entourant la veine porte. Il joue un rôle clé dans le métabolisme des acides aminés et la gluconéogenèse, servant de marqueur fonctionnel de l'activité métabolique des nutriments du foie.

⁸ CYP2E1 (Cytochrome P450 2E1): Une enzyme métabolisant les xénobiotiques, fortement exprimée dans les hépatocytes entourant la veine centrale. Elle intervient dans le métabolisme des xénobiotiques et le traitement des lipides, servant de marqueur essentiel pour la zonation fonctionnelle et la différenciation du foie.

Comment voyez-vous l'évolution de vos recherches dans le domaine de la technologie des organoïdes ?

Professeur Sato : À l'avenir, nous avons pour objectif de développer des modèles de maladies plus précis à partir d'organoïdes d'hépatocytes porteurs de mutations génétiques spécifiques à la maladie, ce qui permettra d'accélérer les applications en découverte de médicaments et en médecine régénérative, en tant qu'alternatives aux expérimentations animales. En particulier, la technologie des organoïdes est appelée à jouer un rôle majeur en tant qu'approche thérapeutique innovante pour l'insuffisance hépatique et les maladies hépatiques héréditaires.

Dans ce contexte, les systèmes d'imagerie doivent allier des performances optiques élevées à une utilisation conviviale et intuitive pour l'utilisateur. Notre laboratoire accueillant un grand nombre d'étudiants, la facilité d'utilisation est un facteur primordial influençant l'efficacité globale de nos recherches. Nous anticipons que les systèmes d’imagerie continueront à évoluer en tant qu’infrastructures indispensables, permettant aux chercheurs d’acquérir des données de haute fidélité avec une rapidité et une cohérence accrues.

Capacités d'imagerie privilégiées pour la recherche sur les organoïdes

2. Haute polyvalence et compatibilité avec les récipients en plastique

L’imagerie CID repose sur la lumière polarisée, qui est déformée par la biréfringence inhérente des récipients en plastique, rendant l’observation précise difficile.

À l’inverse, l’imagerie par contraste de gradient n’utilise pas de lumière polarisée, ce qui permet une imagerie stable dans des récipients en plastique et une application flexible pour la surveillance de routine des conditions cellulaires.

Associée à des objectifs à longue distance de travail, tels que la série LUCPLFLN, l’imagerie par contraste de gradient peut accueillir des spécimens épais ou des récipients à fond rehaussé, offrant la possibilité d’observer sans restriction de type de spécimen ou de récipient. Cette capacité permet un large éventail d'applications (voir l'exemple de Keio University : Figure 1(b)).

Références

Pour obtenir des informations détaillées sur cette étude, veuillez vous référer à la publication suivante :

Igarashi, R., Oda, M., Okada, R., Yano, T., Takahashi, S., Pastuhov, S., Matano, M., Masuda, N., Togasaki, K., Ohta, Y., Sato, S., Hishiki, T., Suematsu, M., Itoh, M., Fujii, M., and Sato, T. 2025. “Generation of Human Adult Hepatocyte Organoids with Metabolic Functions.” Nature.

Avis de non-responsabilité : Les opinions et les déclarations formulées dans cette interview sont celles du chercheur et ne reflètent pas nécessairement les points de vue ou les affirmations d’Evident. Les produits et technologies mentionnés sont destinés exclusivement à la recherche et ne sont pas conçus pour des applications cliniques ou diagnostiques.