La culture monocouche 2D traditionnelle aplatit les cellules sur du plastique, modifiant leur morphologie, leur signalisation et leurs réponses aux médicaments. Les systèmes de culture 3D reproduisent mieux l’environnement in vivo en permettant des interactions cellule–cellule et cellule–matrice dans toutes les dimensions.

Pourquoi la 3D ?

La culture monocouche force les cellules à adhérer à une surface rigide et plate. Cela modifie leur organisation cytosquelettique, la forme du noyau et l’expression génique. La culture 3D restaure :

• Les jonctions cellule–cellule et la polarité naturelles.
• Les gradients de diffusion de l’oxygène, des nutriments et des médicaments.
• Les interactions avec la matrice extracellulaire (MEC) qui régulent la prolifération et la survie.
• La résistance aux agents chimiothérapeutiques efficaces contre les monocouches 2D.

Culture de Sphéroïdes

Les sphéroïdes sont de simples agrégats 3D de cellules, généralement de 200–500 µm de diamètre. Ils sont formés par :

• Goutte suspendue : les cellules suspendues dans une gouttelette sur le couvercle d’une boîte de culture s’agrègent au fond de la goutte par gravité.
• Plaques à ultra-faible attachement (ULA) : des plaques à fond rond recouvertes d’un polymère hydrophile empêchent l’attachement cellulaire, forçant les cellules à s’agréger en un seul sphéroïde par puits.
• Lévitation magnétique : les cellules sont incubées avec des nanoparticules magnétiques et assemblées en sphéroïdes à l’aide d’un champ magnétique.

Les sphéroïdes développent un cœur nécrotique lorsqu’ils dépassent 400–500 µm, imitant les cœurs hypoxiques et pauvres en nutriments des tumeurs solides. Cela les rend utiles pour étudier la pénétration des médicaments anticancéreux et la résistance.

Organoïdes

Les organoïdes sont des structures 3D auto-organisées dérivées de cellules souches qui reproduisent l’architecture et la fonction d’un organe. Ils sont plus complexes que les sphéroïdes, contenant plusieurs types cellulaires différenciés organisés en un motif tissulaire.

Les organoïdes sont cultivés dans un extrait de membrane basale (Matrigel, BME) supplémenté avec un cocktail défini de facteurs de croissance. Les types d’organoïdes courants incluent :

• Organoïdes intestinaux : contiennent tous les types de cellules épithéliales intestinales (entérocytes, caliciformes, Paneth, entéro-endocrines) dans des structures crypte-villosité.
• Organoïdes cérébraux : tissu neural auto-organisé avec stratification corticale.
• Organoïdes tumoraux (tumoroides) : dérivés de tumeurs de patients, utilisés pour les tests de sensibilité aux médicaments et la médecine personnalisée.
• Organoïdes de foie, rein, pancréas, rétine : établis pour des organes spécifiques.

Échafaudages et Hydrogels

Les composants naturels de la MEC (collagène I, Matrigel, fibrine) ou les hydrogels synthétiques (PEG, alginate) fournissent un échafaudage 3D pour la croissance cellulaire. La rigidité, la porosité et la densité de ligands de la matrice influencent le comportement cellulaire. Les hydrogels synthétiques offrent des matrices mieux définies et plus reproductibles que le Matrigel, qui est d’origine animale et variable d’un lot à l’autre.

Dosages en 3D

Les dosages cellulaires standard nécessitent une adaptation pour la 3D :

• Viabilité : les dosages basés sur l’ATP (CellTiter-Glo 3D) ont une lyse et une détection améliorées pour les sphéroïdes.
• Imagerie : la microscopie confocale ou multiphotonique est nécessaire pour imager à travers l’épaisseur de la structure.
• Pénétration des médicaments : les médicaments marqués par fluorescence peuvent être visualisés lors de leur diffusion à travers le sphéroïde.
• Invasion : les sphéroïdes incorporés dans du collagène ou du Matrigel peuvent être surveillés pour la croissance invasive.