Culture cellulaire

Les cellules mises en culture peuvent être:

• des micro-organismes libres (bactéries ou levures)
• des cellules « saines » prélevées fraîchement d'un organisme (biopsie...), on parle alors de « culture primaire ». Ces cellules ne peuvent habituellement pas être maintenues en culture indéfiniment, notamment à cause de leur nombre limité de divisions (limite de Hayflick).
• des cellules ayant une capacité de division non limitée (on parle d'« immortalité en culture »). Ce sont des lignées cellulaires. Les lignées sont soit des cellules cancéreuses, soit des cellules en voie de cancérisation, soit des cellules saines rendues « immortelles » artificiellement, soit des cellules souches.
• Des tranches d'organes (d'épaisseur optimisée selon le tissu)

Les scientifiques tentent de cultiver les cellules en laboratoire depuis la fin du XIX^e siècle, mais sans succès car les échantillons meurent systématiquement. En 1912, Alexis Carrel, chirurgien français, réussit à mettre en culture les cellules d'un cœur de poulet, qui continuait à battre. La communauté scientifique de l'époque pensait que son expérience était une des plus importantes de l'époque, et les magazines affirmaient qu'elle mènerait à l'immortalité de la cellule, mais Carrel était un eugéniste et un mystique. Chaque année il célébrait l'« anniversaire » des cellules, mais on finit par apprendre que les cellules d'origine n'avaient pas survécu très longtemps, et aucun scientifique n'avait réussi à reproduire son expérience. En fait Carrel réintroduisait de nouvelles cellules chaque fois qu'il les « nourrissait » avec un jus d'embryon[1].

La véritable avancée se produisit en 1951 lorsque les cellules d'Henrietta Lacks, connues sous le nom de cellules HeLa, prélevées lors de son opération du cancer et cultivées par le biologiste George Gay, se révélèrent « immortelles » en se reproduisant à l'infini. Elles sont toujours utilisées en laboratoire de nos jours.

Le milieu de culture cellulaire est un mélange complexe de nutriments et de facteurs de croissance qui, avec l'environnement physique, peut affecter développement des cellules. Les composants des milieux de culture cellulaire peuvent être séparés dans les classes générales suivantes : eau, glucose, acides aminés, vitamines, sels inorganiques et organiques, lipides et suppléments qui peuvent inclure des protéines, des facteurs de croissance, des hydrolysats et du sérum [5]. Autre que la lignée cellulaire, il n'y a peut-être pas d'autre facteur qui influence plus fortement la prolifération de cellules [6]

Selon les types de cellules et leurs fonctions, les besoins nutritionnels et le pH diffèrent. Au fur et à mesure que la croissance cellulaire se poursuit, de l'ensemencement initial à la confluence ou à la densité cellulaire maximale, les cellules utiliseront les acides aminés et d'autres composants à des rythmes différents [7]. Pour optimiser le bon développement cellulaire, il faut contrôler l'ammoniac, les radicaux libres, la toxicité des métaux lourds, les variations du pH, les fluctuations de l'osmolalité, l'épuisement des nutriments et les contaminants chimiques et biologiques

Les milieux peuvent être classés selon le degré de complexité des ingrédients non définis qui leur sont ajoutés, tels que les sérums animaux, les facteurs de croissance des protéines et les protéines animales ou végétales hydrolysées.

Plusieurs plaques et flacons de surfaces différentes sont utilisés dans la culture cellulaire. Le tableau ci-dessous, décrit par Thermo Fisher Scientific, représente quelques chiffres utiles tels que la surface, la densité d’ensemencement et le volume du milieu de culture pour des récipients de culture de différentes tailles. En effet, le nombre de cellules sur une plaque ou une flasque, ainsi que le volume de milieu de culture nécessaire varie selon le type de cellules mises en culture. Les cellules HeLa sont utilisées pour ce tableau [8].

La cryoconservation est une méthode qui consiste à congeler les cellules, en maintenant leur viabilité, jusqu'à ce qu'elles soient décongelées des mois ou des années plus tard. Voici quelques intérêts de la cryoconservation des cellules [9] :

1. Minimiser les modifications génétiques
2. Éviter les contaminations par des micro-organismes et les contaminations croisées par d'autres lignées cellulaires
3. Inhiber la transformation des caractéristiques de la croissance et l'acquisition des propriétés associées à la malignité
4. Économiser du matériel et gagner du temps
5. Distribution à d'autres utilisateurs

La plupart du temps, les micro-organismes sont cultivés en suspension dans un milieu de culture ou sur un support nutritif semi-solide dans des boîtes de Petri. Les conditions physico-chimiques de croissance des bactéries en culture varient beaucoup, aussi bien en termes de température, pression atmosphérique, salinité du milieu, composition en biomolécules, et même parfois luminosité (exemple de certaines cyanobactéries).

Voir aussi l'article sur la culture microbiologique.

Les cellules animales sont généralement cultivées en incubateurs, à une température de 37 °C et dans une atmosphère très humide à teneur en CO₂ contrôlée, souvent 5 %.

Certaines cellules sont cultivées en suspension dans leur milieu nutritif (cellules non-adhérentes), d'autres sur des plastiques traités leur offrant des capacités d'adhérence. Ces supports peuvent prendre la forme de boîtes de différents formats ou de flasks. On peut cultiver également les cellules dans des environnements tridimensionnels reconstitués proche des matrices extracellulaires naturelles (Matrigel)[10]. Des techniques particulières de culture peuvent être appliquées à certaines cellules, soit de façon obligatoire pour leur survie, soit pour améliorer ces conditions ou le contrôle de certains paramètres lors des expériences :

• optimisation des conditions « atmosphériques » (ajout d'oxygène, etc.)
• optimisation de la composition des milieux nutritifs (ajout de certaines hormones, etc.)
• optimisation des supports (composition en biomolécules, etc.)
• culture sous agitation
• coculture avec des cellules « nourricières »
• culture sur des tissus préalablement « tués » par un procédé de congélation/décongélation
• inclusion dans des gouttelettes d'alginate
• culture en 3D dans des gels permettant de reproduire des phénomènes de morphogenèse ou de modéliser des organes
• etc.

La culture cellulaire se fait souvent dans des flacons et des plaques multi-puits conservés dans des incubateurs au CO₂. Les incubateurs régulent la température (~37^oC), l'humidité (~95 %) et l'atmosphère gazeuse (CO₂, 5 %) autour des cellules, et aussi indirectement le pH du milieu de culture avec un système tampon de bicarbonate. Ces paramètres, idéalement, devraient être constants et ne pas être une source de variations expérimentales [11]

Les cellules en culture constituent un matériel d'étude très important. Grâce aux avantages qu'elles offrent, les cellules continuent à être précieuses pour la recherche fondamentale et pour les applications directes. Les progrès technologiques sont importants pour relever les nouveaux défis complexes, et la manière dont les cellules sont cultivées in vitro est un domaine d'activité intense[12].

Pour répondre à la demande de la médecine régénératrice, les premiers robots ou systèmes automatisés de culture cellulaire apparaissent sur le marché au début du XXI^e siècle.

En 2010, L'Institut National des Sciences et Techniques Industrielles Avancées (AIST, JAPON) et Kawasaki Heavy Industries ont présenté le premier robot (dit R-CPX, pour Robotized - Cell Processing eXpert system[13]) capable de cultiver conjointement des cellules venant de plusieurs personnes. C'est un bloc de 4 m de large et 2 m de haut comprenant deux bras robotisés reproduisant les mouvements d'un technicien expérimenté, dans un milieu désinfecté par de la vapeur de peroxyde d'hydrogène. Il coûterait environ 100 millions de yen, soit +/- 800 000 €) et l'entreprise espère en vendre une centaine d'unités en 10 ans[14].

Depuis les années 2010, l'apparition de système de culture tridimensionnel (gel) a permis de réaliser de grandes avancées dans la mise en culture de système pluricellulaire et la formation d'organoïde.