Modèles in vitro innovants pour l'étude des interactions hôte-pathogène

L'étude des interactions entre l'hôte et l'agent pathogène dans l'apparition et la progression des maladies est essentielle et nécessite des modèles pertinants et mimants l'écosystème de l'organe, y compris les différents types de cellules constituant le tissu, son architecture 3D (polarisation, multicouches...) et son environnement (cellules immunes, microbiote, interface air-liquide...). Depuis une quinzaine d'années, nous développons des modèles 3D in vitro qui reproduisent un état de différenciation et de fonctionnalité plus physiologique et plus proche de l'organe que les cultures monocouches en 2D. 

Les poumons sont constamment exposés à l'environnement extérieur et aux agents infectieux, ce qui provoque des troubles respiratoires et des maladies graves. Ces menaces représentent un problème important pour la santé humaine et animale, et des conséquences économiques pour la société et pour le bétail. La crise sanitaire lié au COVID atteste de l'impact profond que peut avoir un nouveau virus sur nos sociétés. La compréhension des processus physiopathologiques de l'infection reste l'un des principaux objectifs pour contrôler et traiter ces maladies respiratoires. Face à l'impact toujours croissant des infections respiratoires sur la santé animale et humaine, au peu de modèles in vitro disponibles représentant les épithéliums respiratoires (bronches, bronchioles alvéolaires) et à la nécessité de limiter l'expérimentation animale (règles 3R), nous avons développé de nouveaux modèles in vitro (2D, 3D, organoïdes, coupes ex-vivo, bioprint) permettant d'étudier et prédire la pathogénicité des agents infectieux respiratoires affectant l'homme et l'animal, mais aussi de tester de nouvelles approches thérapeutiques. 

♦ Nouveaux modèles cellulaires in vitro mimant le poumon

 Nos travaux antérieurs sur la culture de cellules pulmonaires primaires (Archer et al AJRCMB 2007) soulignaient déjà la pertinence de la culture en 3D par rapport aux cellules monocouches en ce qui concerne l'expression des marqueurs de différenciation, de fonctionnalité et d'expression virale. Ainsi, sur la base de notre expérience dans l'isolement et la culture de cellules épithéliales pulmonaires de différentes espèces mammifères (humains, bovins, ovins), nous développons différents nouveaux modèles in vitro : 

• ◊  Modèles 3D in vitro : Interface Air-Liquide (ALI) et organoïdes qui reproduisent l'organisation du tissu, avec la différenciation des différents types cellulaires, le gain de fonctionnalités (activité ciliée, production de mucus) et la réponse aux pathogènes, de manière plus physiologique. Ces modèles sont issus de cellules souches pluripotentes PSC, de cellules souches embryonnaires ou iPSC (collaboration avec B Pain (Stem Cell and Brain Research Institute, Lyon).
• ◊  Coupe de poumons ex-vivo de précisions (PCLS) qui conservent la complexité d'un tissu avec ses différentes populations cellulaires.
• ◊ Modèle de poumon bioimprimé pour aller plus loin dans la structuration du tissu pulmonaire  et de régiolnalisation, avec une approche d'impression 3D, en collaboration avec la plateforme 3dFAb de l'ICBMS

♦Comprendre, prédire la pathogénicité des agents infectieux et tester de nouvelles approches thérapeutiques en utilisant ces nouveaux modèles in vitro 

Différents projets ont été menés ou sont en cours pour décrypter les mécanismes du processus infectieux concernant différents types d'agents pathogènes humains et/ou animaux  (virus, bactéries) et tester de nouvelles approches soit curatives (anti-virales, anti-bactériennes) soit préventives (optimisation de vaccins) :

• ANR EpilunCell : Establishment of epithelial lung cell lines for pathogen investigations .PI B Pain CSC Lyon-INRAE,  F Archer IVPC;  A Remot/N Winter ISP, D Descamps/S Riffault VIM. (bRSV, Mycobacterium bovis)
• ANR-Flash-Covid “CovidNanoMed” : Nanoformulations of current therapeutic drug candidates against SARS-CoV-2 for pulmonary delivery”. PI Bernard Verrier LBTI; F Archer IVPC ; R Legrand IDMIT.
• FINOVI « Myco3DLung: Respiratory mycoplasm infection, what could we learn using different respiratory epithelium models in vitro ? » (PI F Tardy ANSES; F Archer). Bacterie pathogene, Bacterie commensale, co-infection, bovin 
• EN COURS : 
• Horizon Europe CL6-BIODIV “BCOMING project : Biodiversity Conservation to mitigate the risks of emerging Infectious diseases”  (PI J Cappelle CIRAD, PI: 14 partners) – Caractérisation de nouvelles souches du virus CoV2 du SARS collectées sur des animaux sauvages dans certaines régions d'Afrique et d'Asie. Sars-Cov-2, virus émergents
• Horizon Europe Research Infrastructures Programmes  ISIDORe  Integrated services for infectious disease outbreak research” (consortium of 17 entities) : Criblage de nouveaux antiviraux à large spectre ( Collab Université d'Uppsala) Sars-Cov-2, virus émergents, approche curative
• ANR MucRNAvax project : évaluation d'un vecteur vaccinal LipoParticulate mRNA, pénétrant dans les muqueuses, capable d'induire des réponses immunitaires au niveau des muqueuses contre les maladies infectieuses respiratoires (PI Bernard Verrier LBTI; F Archer IVPC ; S Paul CIRI; Calatrava CIRI); Sars-Cov-2, virus respiratoires émergents, approche préventive
• ANR Print@Lung  : generation d'un modèle complexe de poumon par BioImpression 3D (PI F Archer; E Petiot 3dFAB, K Moreau CIRI; S Paul CIRI) mimant l'épithelium respiratoire dans son architecture et sa composition cellulaire, incluant le stroma et la composante immune du poumon. 
• ShapeMed@Lyon : projet transdisciplinaire utilisant le modèle pulmonaire 3D Bioimprimé pour l'étude des infections (virales et bacteriennes) et de l'impact de l'environnement (pollution atmosphérique) sur la fonction pulmonaire, incluant une approche SHS d'epistemologie et aspect ethique de l'utilisation de ces modèles  (coPIs : F Archer IVPC, E Petiot 3dFAB, K Moreau CIRI. Partenaires :  P Doublet CIRI, M Riva IRCELYON, N Lechopier S2HP).