Les lésions hépatiques d’origine médicamenteuse (DILI) sont une cause majeure d’échec médicamenteux. Un protocole a été développé pour prédire avec précision la responsabilité DILI d’un composé à l’aide d’un système microphysiologique du foie (MPS). Le modèle hépatique utilise la coculture de cellules hépatiques primaires et des paramètres translationnellement pertinents pour évaluer les réponses cellulaires au traitement.
DILI est une cause majeure d’attrition dans le développement de médicaments avec plus de 1000 médicaments approuvés par la FDA connus pour potentiellement causer DILI chez l’homme. Malheureusement, le DILI n’est souvent détecté que lorsque les médicaments ont atteint les stades cliniques, ce qui met en danger la sécurité des patients et entraîne des pertes substantielles pour l’industrie pharmaceutique. Compte tenu du fait que les modèles 2D standard ont des limites dans la détection de DILI, il est essentiel de développer des modèles in vitro plus prédictifs pour améliorer la traduisibilité des données. Pour comprendre en détail la causalité et les aspects mécanistes du DILI, un MPS hépatique humain composé de cellules parenchymateuses et non parenchymateuses (NPC) hépatiques primaires humaines et cultivé dans des microtissus 3D sur un échafaudage artificiel sous perfusion a été développé. Des hépatocytes humains primaires (PHH) et des cellules de Kupffer (HKC) cryoconservés ont été cocultivés sous forme de microtissus dans la plateforme MPS pendant deux semaines maximum, et chaque composé d’intérêt a été dosé à plusieurs reprises sur des microtissus hépatiques à sept concentrations d’essai pendant quatre jours. Les critères d’évaluation fonctionnels spécifiques au foie ont été analysés (y compris les biomarqueurs cliniques tels que l’alanine aminotransférase, ALT) pour évaluer la fonction hépatique. L’exposition aiguë et chronique à des composés de diverses sévérités DILI peut être évaluée en comparant les réponses à des microtissus à dose unique et multidose. La méthodologie a été validée avec un large éventail de composés sévères et légèrement hépatotoxiques. Nous montrons ici les données pour la pioglitazone et la troglitazone, des composés hépatotoxiques bien connus retirés du marché pour provoquer des insuffisances hépatiques. Dans l’ensemble, il a été démontré que le modèle MPS hépatique peut être un outil utile pour évaluer DILI et son association avec les changements dans la fonction hépatique. Le modèle peut également être utilisé pour évaluer comment les nouveaux composés se comportent dans des sous-ensembles de patients distincts et comment les profils de toxicité peuvent être affectés par les états de maladie du foie (p. ex. hépatite virale, stéatose hépatique).
DILI reste la cause la plus fréquente d’insuffisance hépatique aiguë aux États-Unis et en Europe et est l’une des principales causes d’attrition des composés dans le processus de développement de médicaments1. Presque toutes les classes de médicaments peuvent provoquer une hépatotoxicité, les agents du système nerveux central et les antibiotiques étant de loin les traitements les plus courants qui causent DILI chez les patients2. L’hépatotoxicité induite par les médicaments est causée par une interaction complexe de facteurs génétiques, non génétiques et environnementaux, entraînant la mort des hépatocytes et d’autres types de cellules hépatiques, y compris les cholangiocytes et les cellules endothéliales 1,3.
Les agents responsables du DILI peuvent être classés de deux manières: ceux qui causent des lésions hépatiques dose-dépendantes prévisibles ou ceux qui provoquent un DILI idiosyncratique qui est rare et se développe indépendamment de la dose de médicament, de la voie ou de la durée d’administration, mais qui est responsable de jusqu’à un sixième de toutes les insuffisances hépatiques aiguës aux États-Unis seulement4. Malheureusement, DILI n’est souvent pas détecté jusqu’à ce que les médicaments aient atteint les stades cliniques du processus de développement du médicament. Le classement des lésions hépatiques induites par les médicaments (ou DILIrank) comprend plus d’un millier de médicaments approuvés par la FDA qui sont divisés en quatre classes en fonction de leur potentiel de causer DILI, et leur utilisation chez les patients doit être étroitement surveillée5.
L’étude des mécanismes d’hépatotoxicité des médicaments reste très difficile et, par conséquent, de nombreux modèles précliniques ont été développés pour explorer les mécanismes de DILI. Les modèles in vitro et in vivo actuels utilisés pour prédire le DILI en développement préclinique présentent plusieurs limites pour fournir des informations sur les interactions complexes et multiformes dans un corps humain vivant. Les lignées cellulaires hépatiques cancéreuses (c.-à-d. HepG2, HepaRG) cultivées en 2D sont encore utilisées dans les premiers stades de la mise au point de médicaments pour évaluer la toxicité des composés candidats6. Malgré cela, ces lignées cellulaires proviennent de donneurs uniques et présentent des niveaux anormaux de fonction hépatique, et ne présentent pas toujours une sensibilité élevée pour la détection de DILI 7,8. Comme alternative aux lignées cellulaires hépatiques cancéreuses, les PHH représentent mieux la physiologie du foie humain s’ils sont cultivés de manière appropriée in vitro, bien que leur culture présente plusieurs limites, comme une courte durée d’incubation avec des médicaments, une durée de vie relativement courte, une perte d’expression génique hépatique et des changements des fonctions métaboliques des médicaments 9,10,11 . Les PHH peuvent être cultivés sur des protéines de matrice extracellulaire dans des plaques de culture cellulaire 2D standard, mais comme inconvénient, le déclin rapide de leur fonction signifie qu’ils ont une faible sensibilité (<50%) pour la prédiction DILI12.
D’autre part, les tests sur des modèles animaux sont lents, coûteux et nécessitent une traduction inter-espèces pour extrapoler la prédiction aux humains. La plupart des médicaments nouvellement développés ne parviennent pas à obtenir l’approbation, ce qui rend ce processus coûteux et risqué5. En outre, pour tester de nouvelles modalités spécifiques à l’homme, les modèles animaux sont moins appropriés en raison des différences de séquence génétique ou de réponse immunologique par rapport aux humains13.
Par conséquent, l’intérêt pour les modèles hépatiques in vitro tridimensionnels (3D) plus avancés a augmenté de façon exponentielle. La culture de PHH en tant que structures sphéroïdales générées par agrégation gravitationnelle dans des gouttes suspendues ou sur des surfaces de fixation ultrafaibles représente une méthode à haut débit pour évaluer les passifs composés14. Les sphéroïdes PHH ont été utilisés pour évaluer le DILI dans un contexte malade (p. ex. stéatose et cholestase)15. Une grande variété de modèles ont été développés pour inclure des cocultures plaquées à micro-motifs d’hépatocytes avec fibroblastes stromaux16, des tissus hépatiques bio-imprimés en 3D 17, des cultures sphéroïdes 3D avec ou sans cellules hépatiques non parenchymateuses15. Cependant, toutes ces méthodes présentent encore des inconvénients, et la culture des PHH dans un microenvironnement plus pertinent sur le plan physiologique pourrait leur fournir des niveaux de fonctionnalité plus élevés pendant de longues périodes pour permettre l’investigation d’une exposition prolongée à des hépatotoxiques potentiels. En outre, pour améliorer la pertinence translationnelle de toute culture avancée in vitro de PHH, des paramètres fonctionnels cliniquement pertinents ou des biomarqueurs de sortie de toxicité doivent être utilisés pour permettre la comparaison des données in vivo ou des scénarios cliniques18.
Dans cette étude, nous avons évalué si un modèle hépatique in vitro de MPS, également connu sous le nom d’organe sur puce (OOC), pouvait être utilisé pour comprendre les aspects mécanistes détaillés de la toxicité hépatique. Il a déjà été démontré que le MPS maintient des microtissus hépatiques 3D hautement fonctionnels, sous flux, jusqu’à 4 semaines19. Le système a été récemment testé par la FDA et s’est avéré avoir une reproductibilité élevée lors de la toxicité du médicament, du métabolisme et de l’accumulation intracellulaire20. De plus, par rapport aux sphéroïdes et aux cultures sandwich, le système avait une fonction plus stable et une plus grande sensibilité dans la détection de la toxicité de plusieurs médicaments20. À ce jour, le MPS a été utilisé dans un large éventail d’applications couvrant l’ADME21, la modélisation des maladies (HBV22, NAFLD 23,24,25) et les interactions médicamenteuses 26, ce qui le rend potentiellement très adapté à l’évaluation des DILI aiguës et chroniques. La technologie présentée ici offre une alternative pour combler l’écart entre les cultures cellulaires et les modèles animaux plus traditionnels et les essais cliniques humains, progressant vers la simulation des conditions biologiques humaines pour soutenir l’évaluation de la toxicité hépatique des composés candidats aux stades précliniques du processus de développement de médicaments.
Les MPS sont conçus pour récapituler les unités fonctionnelles des organes humains in vitro et ont été développés pour répondre aux limites des modèles de culture cellulaire 3D conventionnels27. Le foie est l’un des organes les plus modélisés utilisant la MPS, et une grande variété de systèmes ont été développés. Le foie humain est responsable du métabolisme des médicaments et de la génération de métabolites toxiques des médicaments, et sa fonction est un élément clé à modéliser pour le développement de médicaments, y compris l’évaluation de la responsabilité DILI des composés28. Ici, nous avons introduit une nouvelle méthode d’évaluation de DILI à l’aide d’un MPS hépatique; le protocole permet de rechercher des informations mécanistes pour chaque dosage de composé afin de déterminer comment il peut causer DILI tout en étant un test très sensible et robuste. Les microtissus hépatiques sont formés dans les plaques MPS, qui sont une coculture de PHH et de HKC et sont très fonctionnelles avec des niveaux élevés de production d’albumine et d’urée ainsi qu’une activité élevée du CYP3A4 par rapport aux modèles hépatiques in vitro standard20.
Bien que le modèle DILI décrit ici puisse servir d’outil utile dans les étapes ultérieures des essais précliniques dans le processus de développement de médicaments, il présente également plusieurs limites. Comme la majorité des MPS actuellement disponibles sur le marché, il s’agit d’une plate-forme à faible débit et, par conséquent, plus difficile à utiliser pour les activités de dépistage de médicaments à grande échelle. Constitué de microtissus formés par la coculture de PHH et de HKC, le modèle DILI ne peut pas non plus saisir entièrement la complexité du foie humain, et une optimisation supplémentaire en incorporant différents types de cellules (par exemple, les cellules immunitaires) serait bénéfique pour ajouter de la valeur au modèle existant. Cette MPS à organe unique pourrait également être combinée avec d’autres plates-formes d’organes qui peuvent partager un milieu commun et permettre la diaphonie d’organes au niveau cellulaire ou endocrinien, et qui peuvent aider à mieux comprendre les connaissances mécanistes de la toxicité qui ne se limitent pas au foie lui-même. En outre, comme toute technologie relativement nouvelle, elle peut être considérée comme coûteuse et donc d’une accessibilité limitée.
MPS est une plateforme utilisée pour développer des modèles organotypiques de tissus simples ou multi-humains. Le système est composé d’un contrôleur, d’un câble ombilical et d’un pilote MPS dans lequel la plaque est insérée (Figure 5A). Chaque plaque MPS hépatique dispose de 12 puits ouverts indépendants pour la culture de cellules hépatiques primaires en 3D sur des échafaudages artificiels. En résumé, le système est vérifié QC, et les plaques sont amorcées au jour -1, les PHH et les HKC sont ensemencés sur les plaques au jour zéro (Figure 5B, voir 1). Les micropompes intégrées facilitent la circulation des milieux de culture cellulaire à travers les échafaudages pour faciliter la formation de microtissus 3D (Figure 5B, voir 2). Les microtissus formés sont analysés au jour 4, dosés à des concentrations différentes de chaque composé toutes les 48 heures pendant 4 jours et dosés pour les biomarqueurs finaux au jour 8 (figure 5C). La chronologie expérimentale du test DILI dans la plaque MPS est représentée à la figure 5D.
Figure 5: Système microphysiologique et chronologie expérimentale d’un test DILI standard. (A) Le système microphysiologique avec ses composants: contrôleur (1), câble ombilical (2), station d’accueil (3), pilote MPS (4) et plaque LC12 (5). (B) L’ensemencement des PHH et des HKC sur la plaque CL12 au jour 1 (1) et les micropompes intégrées facilitent la circulation des milieux de culture cellulaire avec des débits réglables à travers les microtissus 3D ensemencés sur les échafaudages (2). (C) Démontage des échafaudages à la fin de l’étude. (D) Calendrier expérimental. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Lors de l’exécution du protocole, il est important qu’une vérification approfondie du contrôle qualité du système soit effectuée avant le démarrage, que le système fonctionne correctement et que les plaques consommables soient inspectées visuellement et apprêtées efficacement pour assurer un fonctionnement uniforme sur tous les puits. Avoir des cellules humaines primaires de haute qualité est essentiel pour ce protocole, avec des hépatocytes connus pour adhérer de manière constante dans les expériences de culture cellulaire et former des interactions 3D. La décongélation de ces cellules est également une étape critique, car les hépatocytes primaires ne doivent pas être remis en suspension par une action de pipetage, car cela peut rapidement entraîner la mort cellulaire. Une viabilité cellulaire supérieure à 85% est essentielle à la réussite de l’ensemencement, car de grandes quantités de débris cellulaires interféreront avec la formation de microtissus 3D. La vérification du contrôle qualité des microtissus hépatiques formés au jour 4 est également importante, et l’utilisateur doit s’assurer que des niveaux acceptables de LDH et d’urée sont mesurés, car des paramètres hors plage peuvent indiquer une formation tissulaire de mauvaise qualité et permettre un dépannage simple. Enfin, l’hydrocortisone utilisée dans les milieux de culture cellulaire doit être préparée fraîche le jour de l’utilisation pour éviter toute dégradation indésirable qui pourrait avoir un impact sur la fonctionnalité de la culture cellulaire, car elle est nécessaire pour maintenir la fonctionnalité métabolique des hépatocytes.
Malgré sa complexité importante, le MPS hépatique ne contient pas tous les types de cellules du foie humain. Il est possible d’ajouter d’autres types de cellules au modèle24,29 pour augmenter la pertinence physiologique, mais ceux-ci ne devraient être ajoutés qu’avec une justification claire du contexte d’utilisation. Pour l’étude DILI PHH sont le type de cellule clé, et l’incorporation de HKC dans ce modèle permet de déterminer certaines réponses immunologiques. Il convient également de noter que les PHH isolés du foie humain et les PHH cryoconservés disponibles dans le commerce ont tendance à présenter certaines variations d’un lot à l’autre. Nous avons démontré ici que ce protocole produit des résultats reproductibles lorsqu’il est utilisé avec des préparations cellulaires de haute qualité. Cependant, on s’attendrait à une certaine variation de lots de lots, et cela pourrait être surmonté davantage en utilisant des lots groupés de donneurs multiples. Ces limitations pourraient être surmontées en utilisant des cellules de type hépatocytes différenciées des CSPi qui récapitulent de nombreuses propriétés fonctionnelles des PHH et qui ont été utilisées dans le processus de développement de médicaments30. Les HKC présentent également une variabilité importante des lots et un niveau élevé d’activation lors du dégel; par conséquent, les donneurs de HKC sont pré-validés à l’interne avant d’être utilisés dans des cultures cellulaires expérimentales (coculture avec des PHH validés) et doivent avoir de faibles niveaux d’activation post-décongélation; ceci est évalué en mesurant les biomarqueurs IL-6 et TNF-alpha (voir Matériel supplémentaire).
Les données présentées ici confirment que le test peut détecter DILI avec précision, aidant à identifier les hépatotoxiques qui pourraient ne pas être détectés par 2D10,11 et même certains modèles 3D. Les données générées par les MPS ne sont toujours pas utilisées comme norme par l’industrie pharmaceutique pour les présentations réglementaires ou les tests de dépistage de médicaments en raison du manque de normalisation et d’harmonisation des processus, y compris la reproductibilité intersite20. Les données et les approches expérimentales présentées ici abordent ce problème, montrant que le modèle hépatique peut être utilisé de manière routinière et robuste dans les criblages DILI pour prédire avec précision la responsabilité de nouveaux composés.
En mesurant une gamme de paramètres pour produire une « signature d’hépatotoxicité », en aidant à identifier les composés présentant différents niveaux de préoccupation DILI (y compris les composés non détectables par d’autres méthodes in vitro) et leurs mécanismes de toxicité révélés. Cette technologie peut combler l’écart entre la culture cellulaire traditionnelle et les modèles animaux d’un côté et les essais cliniques humains, progressant vers la simulation des conditions biologiques humaines pour l’évaluation préclinique de la toxicité hépatique dans le cadre du processus de développement de médicaments.
The authors have nothing to disclose.
CN Bio Innovations Ltd. a financé cette étude.
24 well cell culture cluster plates flat bottom | Corning | 3524 | |
96 well clear assay plates, flat bottom clear plastic | Greiner | 655101 | |
96 well plates black flat bottom | Corning | 3915 | |
96 Well White/Clear Bottom Plate, TC Surface | ThermoScientific | 165306 | |
Advanced DMEM (1x) | Gibco | 12491015 | Cell culture media. |
AssayMax Albumin ELISA Kit | AssayPro | EA3201-1 | Dilution 1:250. Time point Day 4, 6, and 8. |
Cell Maintenance Cocktail B, (Primary Hepatocyte Maintenance Supplements) | Gibco | CM4000 | |
CellTiter-Glo 3D Cell Viability Assay | Promega | G9682 | Dilution 1:1. Time point Day 8. |
Chlorpromazine HCl | Sigma Aldrich | C8138 | |
Chromacol blue lids, 9 mm Autosampler Vial Screw Thread Caps | ThermoScientific | 9-SCK(B)-ST1 | glass vial |
Chromacol vials, 9 mm Clear Glass Screw Thread Vials | ThermoScientific | 2-SVW | |
Class 2 Microbiological Safety Cabinets – Trimat2 1500 exhaust | Contained Air Solutions | ||
Conical tubes 50 mL | Greiner | 227261 | |
Cryopreserved Hepatocyte Recovery Medium (CHRM) | ThermoFisher Scientific | Gibco CM7000 | |
Cryopreserved primary human hepatocytes | BioIVT Europe | Lot. RAS | |
CytoTox 96 Cytotoxicty (LDH) Assay Kit | Promega | G1781 | Dilution – none. Time point Day 4, 6 and 8 |
>Data analysis model used to generate the graph and EC:50 curves was nonlinear regression (curve fit) asymmetric sigmoidal, 5PL, where X is log(concentration | GraphPad Prism 9 | ||
Disposable PES Filter Units 500mL | Fisher Scientific | 15913307 | |
Disposable Pipette Basins 50ml | Fisher Scientific | 12369175 | |
DMSO (Dimethyl sulfoxide) | Sigma-Aldrich | Sigma D2650 | |
Dulbeco’s Phosphate Buffered Saline without Ca2+ and Mg2+ (D-PBS) | ThermoFisher Scientific | 14190-144 | |
Easy Reader Conical Polypropylene Centrifuge Tubes 15 mL | Fisher Scientific | 11889640 | |
Foetal bovine serum | Gibco | 10500064 | |
Human ALT ELISA Kit | Abcam | ab 234578 | Dilution 1:5. Time point Day 6 and 8. |
Human Cryopreserved Kupffer Cells | Lonza Europe | Lot. 190088KC | |
hydrocortisone | Merck | H0888-1G | |
Incubators models: New Brunswick Galaxy 170 S, New Brunswick Galaxy 170 R and CellXpert® C170. | Eppendorf | All serviced yearly; paperwork available upon request. | |
Inverted Microscope | Leica DMIL LED | ||
MPS know as Organ-on-a-Chip (OOC) | CN Bio Innovations Ltd. | ||
MPS LC-12 plate | CN Bio Innovations Ltd. | ||
Neubauer Improved C-Chip Disposable Haemocytometer (2 channel) | Cambridge Bioscience | DHC-N01-50 | |
P450-Glo CYP3A4 Assay and Screening System | Promega | V9002 | Dilution – none. Time point Day 8 |
PhysioMimix MPS platform | CN Bio Innovations Ltd. | ||
Pioglitazone | MedChemExpress Tocris | HY-13956/CS-1700 | |
Quantichrom Urea Assay Kit – Bioassay systems | Bioassay Systems | DY970-05 | Dilution 1:2 if initial reading is too high. Time point Day 4, 6 and 8. |
Silica gel | Sigma-Aldrich | S7625 | |
Software used to analyse and generate all the graphs was | GraphPad Prism 9 | ||
Stripettes 10 mL | Fisher Scientific | 11839660 | |
Stripettes 25 mL | Fisher Scientific | 11839181 | |
Thawing plate Cocktail A, (Primary Hepatocyte Thawing and Plating Supplements) | Gibco | CM3000 | |
Troglitazone | MedChemExpress Tocris | 97322-87-7 | |
Trypan Blue Solution, 0.4% | Gibco | 15250061 | |
Tubes 1.5 mL | Greiner | 616201 | |
Weighing balance – model PA214C and AV213C | Ohaus Corp |