vignette|Organoïde intestinal cultivé à partir de cellules souches Lgr5+.
Un organoïde est une version miniature et simplifiée d'un organe, fabriquée in vitro en trois dimensions et qui présente une micro-anatomie réaliste. Il est issu d'une ou de quelques cellules d'un tissu, de cellules souches embryonnaires ou de cellules souches pluripotentes induites (iPSC), qui peuvent s'auto-organiser en une structure tridimensionnelle grâce à leurs capacités d'auto-renouvellement et de différenciation. Les organoïdes sont utilisés par les scientifiques pour étudier les maladies et les traitements en laboratoire. Un organoïde présente les propriétés suivantes:
il possède plusieurs types cellulaires spécifiques d’un organe il est capable de récapituler certaines fonctions spécifiques de l'organe (par exemple la contraction, l'activité neuronale, la sécrétion endocrinienne, la filtration, l'excrétion) il se forme par regroupement et auto-organisation dans l’espace, à la manière d'un organe.
Histoire Les tentatives de création d'organes in vitro ont commencé en 1907 par des expériences de dissociation-réagrégation, où Henry Van Peters Wilson a démontré que les cellules spongieuses dissociées mécaniquement peuvent se réagréger et s'auto-organiser pour générer un organisme entier. Au cours des décennies suivantes, plusieurs laboratoires ont pu générer différents types d'organes in vitro grâce à la dissociation et à la réagrégation de tissus d'organes obtenus à partir d'amphibiens ou d'embryons de poussins. Les phénomènes de cellules mécaniquement dissociées s'agrégeant et se réorganisant pour reformer le tissu à partir duquel elles ont été obtenues ont ensuite conduit au développement de l'hypothèse de l'adhésion différentielle par Malcolm Steinberg en 1964.
Avec l'avènement du domaine de la biologie des cellules souches, le potentiel des cellules souches à former des organes in vitro a été réalisé très tôt avec l'observation que lorsque les cellules souches forment des tératomes ou des corps embryoïdes, les cellules différenciées peuvent s'organiser en différentes structures ressemblant à celles trouvées dans plusieurs types de tissus. L'avènement du domaine des organoïdes a commencé par le passage de la culture et de la différenciation des cellules souches dans des supports 2D à des supports 3D pour permettre le développement des structures tridimensionnelles complexes des organes.
En 2006, Yaakov Nahmias et David Odde ont montré l'auto-assemblage d'organoïdes hépatiques vasculaires maintenus pendant plus de 50 jours in vitro.
En 2008, Yoshiki Sasai et son équipe de l'institut RIKEN ont démontré que les cellules souches peuvent être transformées en boules de cellules neurales qui s'auto-organisent en couches distinctes.
En 2009, le laboratoire de de l'Institut Hubrecht et du Centre médical universitaire d'Utrecht, aux Pays-Bas, a montré que des cellules souches intestinales exprimant LGR5 s'auto-organisent en structures crypt-villositaires in vitro sans nécessiter de niche mésenchymateuse.
En 2010, Mathieu Unbekandt et Jamie A. Davies ont démontré la production d'organoïdes rénaux à partir de cellules souches rénogènes dérivées de fœtus murin. Des rapports ultérieurs ont montré une fonction physiologique significative de ces organoïdes in vitro et in vivo.
En 2013, Madeline Lancaster de l'Institut de biotechnologie moléculaire de l'Académie autrichienne des sciences a établi un protocole de culture d'organoïdes cérébraux dérivés de cellules souches qui imitent l'organisation cellulaire du cerveau humain en développement.
En 2014, Artem Shkumatov à l'université de l'Illinois à Urbana-Champaign a démontré que des organoïdes cardiovasculaires peuvent être formés à partir de cellules souches embryonnaires en modulant la rigidité du substrat auquel ils adhèrent.
On a ensuite, dans les années 2010/2020, réussi à produire, en tant que modèle animal, des embryoïdes d'animaux (une sorte de version simplifiée de l'embryon, qui peut être observée, vivante au microscope, mais qui n'adoptent ni l’architecture cellulaire ni le potentiel de développement des « véritables » embryons issus d'une fécondation d’ovules par des spermatozoïdes ; cet embryoïde ou "embryon artificiel" ne vit actuellement (2025) pas plus de huit jours, alors que la gestation normale de la souris dure de 18 à 21 jours) puis en 2002 , un premier Embryon synthétique (plus complexe et ressemble à 95% à un véritable embryon, produit dans un milieu de culture dans un réacteur en rotation à partir de cellules souches de souris, sans recourir à des ovules fécondés, ni à des embryons ni même directement à une souris morte ou vivante). Cette opération reste délicate (échecs dans 99,5% des essais, et les embryons synthétiques n'étaient similaires qu'à 95 % aux « vrais » embryons de souris. Certaines des cellules souches, adéquatement traitées pour cela, se sont différentiées en cellules de « soutien » (évoquant celles qui se forment dans le placenta ou le sac vitellin, nécessaires à l'initiation et au maintien d'une grossesse). Concernant le modèle "humain", en 2021, des chercheurs ont pu produire un blastoïde (agrégat issu de cellules souches pluripotentes humaines imitant le blastocyste humain), ce qui ouvre des pistes pour mieux comprendre et traiter l'infertilité et les troubles précoces de la grossesse, et faire progresser les possibilités de fabriquer et implanter des tissus humains compatibles et transplantables...tout en soulevant des questions.. éthiques, juridiques, réglementaires et politiques, différentes de celles posées par les organoïdes (notamment pour l'humain; sur l'origine des cellules souches, sur le consentement du donneur, sur le devenir de l'organisme ainsi formé..). Des lois et directives cadrent déjà ce type de recherche en Europe notamment, mais les débats se poursuivent.
Processus de fabrication La formation d'organoïdes nécessite généralement une culture 3D de cellules souches embryonnaires (dans un milieu en trois dimensions, qui peut être un hydrogel de matrice extracellulaire tel que Matrigel ou Cultrex BME, qui est une matrice extracellulaire riche en laminine sécrétée par la lignée tumorale Engelbreth-Holm-Swarm. Les corps organoïdes peuvent ensuite être fabriqués en incorporant des cellules souches dans ce support 3D. Si des cellules souches pluripotentes sont utilisées pour créer l'organoïde, elles sont généralement, mais pas toujours, légalement utilisables pour former des embryoïdes. Ces embryoïdes sont ensuite traités pharmacologiquement avec des facteurs de croissance et de différenciation pour conduire à l'identité organoïde souhaitée.
Des organoïdes ont également été créés à l'aide de cellules souches adultes extraites de l'organe cible et cultivées dans des milieux 3D.
Différents types d'organoïdes Une multitude de structures d'organes ont été modélisées à l'aide d'organoïdes, y compris des organoïdes cérébraux, thymiques, thyroidiens, intestinaux, hépatiques, testiculaires, pancréatiques, rétiniens, rénaux ou d'embryon précoce (gastruloïdes, y compris humains).. Cette section a pour objectif de présenter des exemples utilisés dans la recherche actuelle.
Organoïde cérébral
Un organoïde cérébral décrit des organes miniatures cultivés artificiellement, in vitro, ressemblant au cerveau. Les organoïdes cérébraux sont créés en cultivant des cellules souches pluripotentes humaines dans une structure tridimensionnelle se développent sur une période de plusieurs mois. La procédure a des applications potentielles dans l'étude du développement, de la physiologie et de la fonction cérébrales. Les organoïdes cérébraux peuvent éprouver des « sensations simples » en réponse à une stimulation externe et les neuroscientifiques Andrea Lavazza, Elan Ohayon et Hideya Sakaguchi font partie de ceux qui craignent que de tels organes puissent développer une sensibilité. Ils proposent que l'évolution ultérieure de la technique soit soumise à une procédure de surveillance éthique rigoureuse.
Organoïde pulmonaire vignette|Organoïde pulmonaire Les organoïdes pulmonaires sont des micro-tissus cultivés en trois dimensions qui reproduisent les caractéristiques morphologiques et fonctionnelles des voies respiratoires. Ils peuvent contenir les différents types de cellules épithéliales du poumon humain reposant sur une matrice extra-cellulaire. Les organoïdes pulmonaires présentent de nombreuses caractéristiques des voies respiratoires humaines, telles que la sécrétion de mucus, le battement des cils et la régénération. Cette fidélité à la réalité biologique en fait un outil très efficace pour étudier le développement embryonnaire du tissu pulmonaire, les mécanismes de réparation dans les lésions pulmonaires ainsi que les mécanismes physiopathologiques des maladies pulmonaires. Les organoïdes pulmonaires peuvent également être utilisés pour évaluer la toxicité ou l'efficacité des médicaments lors de tests in vitro.
Organoïde rénal Le rein, assemblage d'une trentaine de types cellulaires différents organisés de façon précise dans l'espace, et aux fonctions variées, est particulièrement difficile à reproduire. En 2025, des progéniteurs du néphron et du bourgeon urétral de souris, placés dans un milieu de culture adéquat, constituent des agrégats puis des néphrons répartis autour d'un tube collecteur. Transplanté sur le rein d'une souris, l'organoïde se vascularise et se développe in vivo jusqu'à un stade postnatal...
Organoïde rétinien Les organoïdes rétiniens sont des structures en trois dimensions, auto-organisées qui contiennent tous les types cellulaires de la rétine. Il y a trois étapes dans la génération d'organoïdes rétiniens. Les organoïdes de 35 à 40 jours sont formés d’un neuro-épithélium contenant des progéniteurs rétiniens en prolifération. Durant les stades intermédiaires (entre 60 et 100 jours), on observe une séparation nette entre une couche nucléaire externe avec des photorécepteurs et une couche interne contenant des neurones de la rétine interne. Enfin, dans les organoïdes rétiniens tardifs (après 150-175 jours), les photorécepteurs atteignent un stade avancé de développement. La cinétique de développement est assez fidèle au développement fœtal humain (entre la et la semaine). Il persiste cependant certaines limites, notamment lorsqu’il s’agit de maintenir ces organoïdes à long terme. On observe une désorganisation progressive de la région interne des organoïdes aux stades tardifs, ainsi qu’une perte des cellules ganglionnaires, ce qui est prévisible dans ce type de cultures car ces neurones sont dépourvus de leurs cibles cérébrales naturelles.
Applications
Etude du développement Les organoïdes offrent aux chercheurs un modèle exceptionnel pour étudier la biologie du développement. Depuis l'identification des cellules souches pluripotentes, de grands progrès ont été accomplis dans la direction du destin des cellules souches pluripotentes in vitro à l'aide de cultures 2D. Ces progrès dans la direction du destin de la cellule souche pluripotente, associés aux progrès des techniques de culture 3D, ont permis la création d'organoïdes qui récapitulent les propriétés de diverses sous-régions spécifiques d'une multitude d'organes. L'utilisation de ces organoïdes a ainsi grandement contribué à élargir notre compréhension des processus d'organogenèse et du domaine de la biologie du développement. Dans le développement du système nerveux central, par exemple, les organoïdes ont contribué à notre compréhension des forces physiques qui sous-tendent la formation de la cupule rétinienne. Des travaux plus récents ont considérablement prolongé les périodes de croissance des organoïdes corticaux et à près d'un an dans des conditions de différenciation spécifiques, les organoïdes persistent et présentent certaines caractéristiques des stades de développement du fœtus humain.
Modélisation de maladies