M&M’S: Multiphoton Microscopy to study Stem cell therapeutics in kidney organoids

Résumé :

La transplantation rénale demeure le traitement de référence pour l’insuffisance rénale mais fait face à une pénurie majeure d’organe qui force les cliniciens à recourir à des greffons « à critères étendus », plus sensibles aux lésions d’ischémie-reperfusion (IR). La préservation dynamique sur machine de perfusion permet de contrôler l’IR et nous avons pu prouver l’efficacité d’une thérapie cellulaire générée à partir de cellules progénitrices urinaires. Malgré les effets protecteurs et prometteurs de cette thérapie, son mécanisme d’action demeure inconnu.

Afin d’élucider ce mécanisme, nous proposons de développer un suivi d’organoïdes rénaux humains sous flux par microscopie multiphoton et ce, de façon longitudinale et dynamique.  Ces organoïdes seront ensuite exposés à une séquence d’hypoxie-réoxygénation (HR) simulant la préservation du greffon rénal sur lesquels la thérapie cellulaire sera appliquée. Ce modèle permettra de déterminer les cellules cibles de la thérapie (tubule vs glomérule…) et d’éventuelles niches de régénération, les modulations métaboliques, le stress oxydatif… de nombreux paramètres difficilement évaluables dans d’autres modèles, soit trop simplistes (culture 2D) soit trop complexes à mettre en œuvre (animal). Ces données d’imagerie seront enfin transformées en mesures quantitatives pour analyser et modéliser ces processus.

Cette approche unique, combinant un modèle humain in vitro complexe et un système d’imagerie multiphoton dynamique, longitudinale et non destructeur, permettra d’élucider le mécanisme protecteur et d’améliorer cette thérapie prometteuse, offrant une meilleure chance de réussite aux patients transplantés.

Contexte et problématique :

La transplantation rénale est la solution thérapeutique de choix en cas d'insuffisance rénale terminale mais est limitée par la disponibilité de greffons. En France, 11.000 patients sont toujours en attente d'un rein en 2025 : pour chaque greffon disponible, 2,8 receveurs sont inscrits sur liste d’attente active (rapport 2024 de l’Agence de la Biomédecine) et ce malgré des dons issus de donneurs vivants. Pour pallier à cette pénurie, des greffons "à critères étendus", issus de donneurs plus âgés ou comorbides, sont utilisés mais sont plus sensibles aux lésions d'ischémie-reperfusion (IR), indissociables de la transplantation. Pour maîtriser les lésions de l'IR, des approches de préservation dynamique, sur machine de perfusion, sont utilisées et couplées à l'optimisation des solutions de préservation.

En combinant un modèle humain in vitro mais complexe et un système d'imagerie multiphoton dynamique, longitudinale et non destructrice, nous proposons d'avancer dans la compréhension du mécanisme et ainsi le raffinement du produit de thérapie cellulaire. L'association de ces modèles, compétences et techniques est une opportunité unique de développer un système innovant et à haute valeur ajoutée pour la communauté scientifique ; tout en participant à rééquilibrer l'offre et la demande en transplantation rénale

Description du sujet :

Nous avons précédemment mis en évidence (Burdeyron et al, 2024) la faisabilité et l'efficacité à court terme d'une thérapie cellulaire basée sur des vésicules extracellulaires (EVs) issues de cellules progénitrices urinaires (UPCs) en préservation rénale. Une limite de notre stratégie réside dans la méconnaissance du mécanisme médiant les effets bénéfiques des EVs sur le greffon.

Afin de faciliter le développement de notre stratégie vers la clinique et d'étoffer notre expertise technologique et scientifique, ce projet a pour ambition de développer une approche de suivi d'organoïdes rénaux humains sous flux par microscopie multiphoton longitudinale et dynamique.

Méthodologie et mise en œuvre :

• Développer un système de suivi longitudinal et dynamique d'organoïdes rénaux humains sous flux par microscopie multiphoton. Les organoïdes rénaux dérivés d'iPSC seront placés dans des conditions d'hypoxie réoxygénation (HR) mimant la préservation du greffon rénal et notamment les l’IR. L'aspect microfluidique sera réalisé avec l'UMR U1248 (Limoges)
• Appliquer ce système à des organoïdes rénaux issus d'iPSC génétiquement modifiées pour exprimer des protéines fluorescentes spécifiques des différentes parties du néphron, permettant de décrire l'implication des différents compartiments cellulaires dans la réponse rénale à l'HR)
• Valider ce modèle en détaillant le mécanisme d'action des EVs : nous suivrons le devenir des organoïdes soumis au stress hypoxique et traité par les EVs (types cellulaires impactés, survie, métabolisme, stress oxydatif etc.) grâce aux technologies développées précédemment.
• Développer une pipeline d'analyse d'image afin de quantifier, mesurer et analyser les données obtenues, en transformant des données d'imagerie en mesures quantitatives pour extraire la dynamique de paramètres d'intérêt (en collaboration avec le laboratoire XLIM (UMR U7252, Poitiers).

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Abstract:

Kidney transplantation remains the gold standard treatment for renal failure, but faces a major organ shortage, forcing clinicians to use "extended criteria" grafts, more susceptible to ischemia-reperfusion (IR) injury. Dynamic preservation using perfusion machines allows control of IR, and we have demonstrated the efficacy of a cellular therapy derived from urine progenitor cells. Despite the protective and promising effects of this therapy, its mechanism of action remains unknown.

To elucidate this mechanism, we propose to develop a longitudinal and dynamic monitoring system for human kidney organoids under flow using multiphoton microscopy. These organoids will then be exposed to a hypoxia-reoxygenation (HR) sequence, simulating kidney graft preservation, and treated with the cellular therapy. This model will help us identify the target cells of the therapy (tubule vs. glomerulus, etc.) and potential regeneration niches, as well as metabolic modulations, oxidative stress, and other parameters that are difficult to assess in simpler (2D culture) or more complex (animal) models. The imaging data will finally be transformed into quantitative measurements to be analyzed and modeled to understand these processes.

This unique approach, combining a complex in vitro human model with a dynamic, longitudinal, and non-destructive multiphoton imaging system, will help elucidate the protective mechanism and improve this promising therapy, offering better outcomes for transplant patients.

Background and rationale:

Kidney transplantation is the treatment of choice for end-stage renal disease, but its use is still limited by the availability of grafts. In France only, 11,000 patients were still waiting for a kidney in 2025: for each available graft, 2.8 recipients are registered on the active waiting list (2024 report from the French Biomedicine Agency), despite donations from living donors. To address this shortage, "extended criteria" grafts from older or comorbid donors are used, but these are more susceptible to ischemia-reperfusion (IR) injury, an inherent step of the transplantation procedure. To control IR injury, dynamic preservation approaches using perfusion machines are employed, coupled with the optimization of preservation solutions.

By combining a complex in vitro human model with a dynamic, longitudinal, and non-destructive multiphoton imaging system, we aim to advance our understanding of the mechanism and refine the cellular therapy product. The integration of these models, expertise, and techniques presents a unique opportunity to develop an innovative, high-value system for the scientific community, while helping to rebalance the supply and demand in kidney transplantation.

Project description :

In our previous work (Burdeyron et al, 2024), we demonstrated the feasibility and short-term efficacy of a cellular therapy based on extracellular vesicles (EVs) derived from urine progenitor cells (UPCs) in kidney preservation. However, this approch is limity by the lack of understanding of the mechanism mediating the beneficial effects of EVs on the graft.

To facilitate the clinical advancement of our strategy and to expand our technological and scientific knowledge, this project aims to develop an approach for monitoring human kidney organoids under flow using longitudinal and dynamic multiphoton microscopy.

Experimental approach:

• Develop a longitudinal and dynamic monitoring system for human kidney organoids under flow using multiphoton microscopy. Kidney organoids derived from iPSCs will be subjected to hypoxiareoxygenation (HR) conditions, mimicking kidney graft preservation and IR. The microfluidic aspect will be implemented in collaboration with UMR U1248 (Limoges).
• Apply this system to kidney organoids derived from genetically modified iPSCs. These organoids will express fluorescent proteins specific to different parts of the nephron, enabling the description of how various cellular compartments respond to HR.
• Validate the model by elucidating the mechanism of action of extracellular vesicles (EVs). We will track the fate of organoids exposed to hypoxic stress and treated with EVs (affected cell types, survival, metabolism, oxidative stress, etc.) using the previously developed technologies.
• Develop an image analysis pipeline. This pipeline will quantify, measure, and analyze the obtained data, transforming imaging data into quantitative metrics to extract the dynamics of parameters of interest (in collaboration with XLIM laboratory, UMR U7252, Poitiers).

Le laboratoire Ischémie Reperfusion, Métabolisme et Inflammation Stérile en Transplantation (IRMETIST) est une unité mixte de recherche INSERM/Université de  Poitiers (U1313). L’unité fait partie intégrante de l’institut fédératif de recherche en BioSanté. Elle est située à Poitiers, pour l’instant en partie sur le site du CHU de Poitiers à proximité de la faculté de Médecine et de Pharmacie et également au pôle de biologie santé (PBS) sur le campus de l’université de Poitiers. Les thématiques de recherche de l’unité s’articulent autour de l’amélioration des conditions de la transplantation d’organes, principalement le rein et le foie, et autour de l’étude des phénomènes lésionnels liées à l’ischémie-reperfusion (IR).

Le ou la candidat(e) devra avoir obtenu un master 2 en biologie ou biotechnologies et avoir de bonnes connaissances en biologie cellulaire, en culture cellulaire et microscopie (systèmes à épifluorescence, confocaux, multiphoniques…) ou faire preuve de curiosité envers ces techniques. Le ou la candidat(e) idéal(e) fera preuve de : motivation, curiosité, pro-activité, autonomie, capacité d’adaptation et de rigueur. Il/Elle rejoindra un environnement stimulant, collaboratif et engageant. Une bonne maîtrise de l’anglais (lu, écrit, parlé) ainsi que des qualités rédactionnelles (anglais) seront de véritables atouts, notamment pour des interactions avec les collaborateurs internationaux de l’équipe.

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The ideal candidate must have obtained a Master 2 in biology or biotechnology and have a solid knowledge of cell biology, cell culture and microscopy (epifluorescence, confocal systems, multiphonic systems, etc.) or at least, be curious about these techniques. He or She will demonstrate motivation, curiosity, pro-activity, autonomy and rigor. He or She will join a stimulating, collaborative and engaging environment. Very good spoken and written English is required to communicate in the lab and particularly with the group international network of collaborators.