Développement d'un muscle-sur-puce pour la caractérisation fonctionnelle de la sarcopénie // development of a muscle-on-chip for functional characterisation of sarcopenia

Topic description

La sarcopénie, du grec sarks (chair), correspond à une perte accélérée de masse et de force musculaire au-delà d'un seuil de déclin physiologique. Elle touche 30 à 50% des personnes âgées de plus de 70 ans et est associée à une morbi-mortalité importante. Il existe des stratégies pour prévenir son apparition (prise en charge nutritionnelle, activité physique), mais il n'y a à l'heure actuelle aucune stratégie thérapeutique curative. Or, le diagnostic de la sarcopénie intervient par définition à un stade tardif, lorsque l'atrophie musculaire se traduit en faiblesse musculaire. Ainsi, il est urgent d'identifier des biomarqueurs précoces de dysfonction musculaire.
Depuis une dizaine d'années, des modèles de muscle-sur-puce particulièrement intéressants pour l'étude de la contraction musculaire ont émergé. Ils reposent sur l'ensemencement de cellules musculaires dans un hydrogel autour de deux piliers flexibles, mimant l'attachement du tissu musculaire à l'os in vivo, et permettant de monitorer la contraction en mesurant la déflexion des piliers. Cependant, ce type de modèle manque de reproductibilité d'un muscle-sur-puce à l'autre, et la caractérisation morphologique, notamment en imagerie de haute précision, reste limitée. Enfin, un tel modèle n'a jamais été utilisé pour l'étude de la sarcopénie, pourtant la plus fréquente des pathologies musculaires.
Ce projet a pour but de créer un nouveau modèle de muscle-sur-puce, reproductible, adapté pour l'étude de la sarcopénie, et permettant l'identification de signatures structurelles et fonctionnelles précoces grâce à une technique d'imagerie 3D non-linéaire (Second Harmonic Generation (SHG)). La pertinence de ce modèle pour représenter la sarcopénie sera permise par l'utilisation de cellules musculaires humaines primaires, issues de prélèvements de patients sarcopéniques et non sarcopéniques, grâce à une collaboration établie avec le CHU de Bordeaux. La reproductibilité du modèle sera notamment améliorée grâce à une technique d'encapsulation cellulaire (Cellular Capsule Technology, développée par l'équipe de Gaëlle Recher), qui permet de créer des faisceaux de cellules musculaires dans une coque creuse d'alginate par extrusion microfluidique. L'état de différenciation du modèle sera finement caractérisé, sur le plan morphologique et structurel par imagerie 3D (imageries de fluorescences et de SHG), sur le plan moléculaire (histo-cytologie, RT-qPCR) et sur le plan fonctionnel par l'analyse de la contraction. Le muscle-sur-puce construit avec des cellules issues de patients sarcopéniques sera comparé à un muscle-sur-puce construit avec des cellules issues de sujets sains pour caractériser et quantifier les caractéristiques pathologiques connues chez les patients (atrophie des myofibres, faiblesse musculaire). Enfin, nous utiliserons la SHG pour mettre en évidence des lésions structurelles précoces qui précéderaient l'apparition du phénotype sarcopénique. Pour cela, nous exposerons le modèle construit avec des cellules saines à un inducteur chimique de sarcopénie (la dexaméthasone, une molécule de la famille des corticoïdes), et monitorerons les modifications structurelles en SHG en parallèle de l'installation de l'atrophie des myofibres et des modifications de la contraction.
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Sarcopenia, from the Greek word sarks (flesh), is defined by an accelerated loss of muscle mass and strength beyond physiological decline. It affects 30 to 50% of people over the age of 70 yo and is associated with significant morbidity and mortality. Strategies to prevent its onset exist, such as nutritional support and physical activity, but there is currently no curative therapeutic strategy. Indeed, sarcopenia is by definition diagnosed at a late stage, when muscle atrophy results in muscle weakness. There is therefore an urgent need to identify early biomarkers of muscle dysfunction.
Over the past decade, muscle-on-a-chip models that appear particularly interesting for the study of muscle contraction have emerged. They are based on seeding muscle cells in a hydrogel around two flexible pillars, mimicking the attachment of muscle tissue to the bone in vivo, and allowing the monitoring of muscle contraction by measuring the deflection of the pillars. However, this type of model lacks reproducibility from one muscle-on-a-chip to another. Moreover, morphological characterisation, particularly in terms of high-precision imaging, remains limited. Finally, such model has never been used to study sarcopenia.
The aim of this project is to create a new, reproducible muscle-on-a-chip model suitable for studying sarcopenia, enabling the identification of early structural and functional signatures using a non-linear 3D imaging technique (Second Harmonic Generation (SHG)). The relevance of this model for studying sarcopenia will be ensured by the use of primary human muscle cells, grown from sarcopenic and non-sarcopenic patients' samples, thanks to a collaboration established with Bordeaux University Hospital. The reproducibility of the model will be improved through the use of a cellular encapsulation technique (Cellular Capsule Technology, developed by Gaëlle Recher's team), which allows muscle cell bundles to be created in a hollow alginate shell using microfluidic extrusion. The state of differentiation of the model will be finely characterised (i) morphologically and structurally using high-resolution imaging (fluorescent imaging, SHG), (ii) on the molecular point of view (immunostaining, RT-qPCR), and (iii) functionally with analysis of muscle contraction. Then, muscle-on-a-chip built with cells from sarcopenic patients will be compared to muscle-on-a-chip with cells from healthy subjects to characterize and quantify pathological characteristics found in patients (myofibre atrophy, muscle weakness). Finally, we will seek to identify whether SHG can reveal early structural lesions that could precede the onset of the sarcopenic phenotype. To do so, we will expose the healthy model to a well-known inducer of sarcopenia (dexamethasone, a corticosteroid) and monitor structural changes in SHG in parallel with the onset of myofibre atrophy and changes in contraction.
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Début de la thèse : 01/09/
WEB :

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Autre type de financement - Bourse de thèse interdisciplinaire de l'Université de Bordeaux (demande prévue en février ) ou contrat doctoral ministériel