Développement d’un système d’imagerie haute vitesse pour la surveillance en continue de cultures cardiaques

Abstract

Nos connaissances scientifiques permettent actuellement la différenciation de cellules souches en cellules cardiaques. Cependant, les protocoles permettant cet exploit ont présentement un rendement variable, qui résulte en la création de tissus aux propriétés variables. Ceci limite à son tour le potentiel de tissus de remplacement, tel le biopacemaker. Dans ce contexte, un protocole de différenciation de cellules souches embryonnaires de souris a été mis au point. Afin d’optimiser ces cultures, un outil de surveillance intégré à une approche de rétroaction a été développé. Le principe de fonctionnement de cet outil repose sur l’évaluation des variations de patrons cellulaires lors de la contraction. Celle-ci est réalisée par imagerie numérique sans lentille sous une illumination partiellement cohérente d’ondes planaires. Le système permet la culture cellulaire à l’intérieur d’un incubateur et des paramètres d’optimisation de culture cellulaire modulables. Il est ainsi possible d’à la fois imager les cultures à de hautes vitesses d’acquisition, soit aussi rapides que 300 images par secondes, et de prendre des images à haute résolution, soit 4 mégapixels. Ceci permet à la fois de se renseigner sur l’organisation spatiale du tissu et ses caractéristiques contractiles, via un signal caractéristique généré à partir d’acquisitions vidéo. L’outil a été validé avec trois différents types de cardiomyocytes, soit des cardiomyocytes de rat néonataux et deux types de cardiomyocytes humains dérivés de cellules souches induites (hIPSc). Le système développé permet ainsi l’observation, l’évaluation de données contractiles et la surveillance de cultures de cardiomyocytes, ce qui en fait un outil prometteur pour l’optimisation en génie tissulaire cardiaque.

Current scientific knowledge allows the differentiation of stem cells into cardiac cells. However, the protocols that allow this process have variable yields, which results in cultures with variable characteristics. In turn, this limits the potential to generate replacement tissues, such as the biopacemaker. In this context, a differentiation protocol for mouse embryonic stem cell was established. To optimise these cultures, a monitoring tool combined with a feedback approach was developed. The working principle of this tool relies on the cellular pattern variations during contraction, captured by digital lenseless imaging under partially coherent illumination. The system allows cell culture directly on the device, which can be placed into an incubator. It also allows the control of substrate rigidity and of an electrical stimulation system. It is possible to capture images at speeds up to 300 frames per seconds and high-resolution images at 4 megapixels. These images in turn inform regarding the spatial organisation of the tissue as well as its contractile properties, from a characteristic signal obtained from the high-speed videos. The device has been validated with three different cardiomyocyte types: neonatal rat and two lines of human cardiomyocytes derives from induced pluripotent stem cell (hIPSc). The developed system thus allows the observation, the evaluation of contractile properties and the monitoring of cardiomyocyte cultures, which make it a promising tool for optimisation in cardiac tissue engineering.