Les réseaux de chambres de culture de sphéroïdes : un outil pour la recherche de traitements combinatoires en oncologie

Le traitement du cancer requiert fréquemment la combinaison de plusieurs traitements tels la chimiothérapie et la radiothérapie afin d'accroitre les chances de survie des patients. L'efficacité de ces combinaisons repose sur les synergies entre les traitements et varie grandement en fonction de la nature du cancer ciblé et des traitements utilisés. Or, il n'existe peu ou pas d'outils spécialisés compatibles à la radiothérapie permettant de tester rapidement ces combinaisons en laboratoire. Nous avons donc développé un dispositif microfluidique composé d'un réseau de valves permettant la réalisation de 12 combinaisons et la culture de sphéroïdes, des agrégats cellulaires tridimensionnels formés d'un ou de plusieurs types de cellules. Le dispositif est composé d'un assemblage d'étages de PDMS, un matériau flexible, transparent et perméable à l'oxygène, et est réalisé à partir de moules fabriqués par impression 3D, permettant la réalisation de plusieurs itérations du dispositif rapidement et à moindre cout. Le dispositif devant être simple à utiliser, compatible aux techniques de culture cellulaire conventionnelles, nous avons conçu des valves magnétiques manuelles afin de pouvoir contrôler le flux des liquides dans le système. Chacune de ces valves peut être contrôlée manuellement et individuellement, conférant un haut degré de flexibilité au dispositif. Elles résistent aussi à des pressions élevées (> 10 kPa), même après une exposition à une dose de radiothérapie de 8 Gy et une incubation de 7 jours à 37°C. Le dispositif final, le réseau de chambres de culture de sphéroïdes (RCCS), est composé de 12 chambres de cultures contenant chacune 25 puits où peuvent se former les sphéroïdes. Chaque chambre de culture est entourée de quatre valves, ce qui permet de contrôler précisément le trajet emprunté par les solutions à l'intérieur du dispositif. En ajustant les valves, il est possible de remplir le RCCS en entier à partir d'une entrée et d'une sortie ou de faire circuler les solutions en empruntant seulement les canaux horizontaux ou verticaux. Les chambres de culture sont aussi séparées les unes des autres de plusieurs millimètres, ce qui permet d'exposer les différentes chambres d'un même dispositif à différentes doses de radiothérapie. Les RCCS ont permis la formation et l'imagerie des sphéroïdes provenant de trois lignées cellulaires différentes directement sur le dispositif. Il reste encore à évaluer leur potentiel dans un contexte réel de recherche de traitements combinatoires en oncologie, mais il ne fait aucun doute qu'une fois ces résultats obtenus, les RCCS pourraient devenir un outil clé pour la recherche en oncologie.

Abstract

Cancer treatment frequently needs a combination of several treatments such as chemotherapy and radiotherapy in order to increase patients' survival rates. Efficacy of these combinations relies on synergies between treatments and varies greatly in function of the nature of the targeted cancer and the treatments used. However, very few specialized tools exist that allow rapid testing of these combinations in laboratory, while being compatible to radiotherapy. Hence, we developed a microfluidic device composed of an array of valves allowing simultaneous testing of twelve combinations of treatments and culture of spheroids, tridimensional cell aggregates composed of one or more type of cells. The device is composed of an assembly of layers of PDMS, a flexible, transparent and oxygen permeable material. The layers were made from 3D printed molds, allowing cheap and adaptable fabrication of the device according to the different needs. In order for the device to be simple to use and compatible to day to day cell culture techniques, we designed manual magnetic valves to route liquids within the system. Each of these valves can be opened and closed manually, resulting in a high degree of flexibility. They also resist high pressures (> 10 kPa), even after being exposed to 8 Gy radiotherapy and incubated 7 days at 37°C. The final device, the spheroid culture chamber array (SCCA), is composed of 12 culture chambers each containing 25 wells where spheroids can form. Four valves, allowing precise control of solutions pathways within the device, surround each culture chamber. By adjusting the valves configuration, it's possible to fill the entire device from a single inlet and outlet or to fill only the vertical or horizontal channels. The culture chambers are also separated by several millimeters, which allows exposure of the different chambers to different radiotherapy doses on a single device. SCCA allowed formation and imaging of spheroids from three different cell lines directly on-chip. The potential of the device in a real oncology combinatorial experiment still remains to evaluate, but there is no doubt that, once there experiments will be done, SCCAs could become a key tool in oncology research.