04 Juil De la pointe à la queue
Des chercheurs de l’Université du Michigan et de l’Institut Weizmann mettent au point le premier système nerveux central complet sur une puce microfluidique ; il reproduit fidèlement celui d’un embryon humain, du cerveau antérieur à la base de la moelle épinière.
Il fut un temps où nous n’étions rien d’autre qu’une masse de cellules souches densément emballées. Au fil du temps, cette masse s’est allongée, des membres ont poussé de chaque côté, des fesses à l’arrière, un estomac à l’avant et une tête au sommet. Le processus par lequel les cellules souches embryonnaires donnent naissance à des organes distincts, nous sauvant d’un destin amorphe, se produit grâce aux morphogènes, des molécules qui sont fabriquées à des moments et à des endroits spécifiques de l’embryon et dispersées pour dicter l’emplacement et la forme de nos organes. Les concentrations variables de morphogènes servent de carte qui guide les cellules souches vers leur destination et leur destin.
Les cartes de concentration de morphogènes sont la clé de toutes les technologies visant à produire des organoïdes, ces versions miniatures d’organes vivants fabriquées en laboratoire qui, au cours de la dernière décennie, ont envahi le monde de la biologie du développement. Mais jusqu’à présent, la plupart des chercheurs produisaient des organoïdes en utilisant des concentrations uniformes de morphogènes dans des boîtes de Petri, ce qui les limitait à la culture de fines sections d’un organe dans chaque boîte, plutôt que de générer une version unique et miniature de l’organe complet. Jianping Fu et Xufeng Xue, de l’Institut Weizmann des Sciences et de l’Université de Pennsylvanie ont créé une version miniature de l’ensemble du système nerveux central embryonnaire, allant du cortex frontal jusqu’à la base de la moelle épinière, à l’aide d’une puce microfluidique qui reproduit la dispersion des morphogènes au cours du développement embryonnaire.
La nouvelle puce permettra aux chercheurs de poser des questions entièrement nouvelles, tant sur le développement d’un embryon sain que sur les maladies et les lésions tissulaires, selon le professeur Orly Reiner, du Département de Génétique Moléculaire de Weizmann, qui a participé à l’étude. Elle étudie les maladies affectant le développement du cerveau depuis plus de 30 ans et a commencé à cultiver des organoïdes dans son laboratoire il y a une dizaine d’années. « Les organoïdes avaient déjà été exposés à des concentrations variables de morphogènes dans des études antérieures, mais celles-ci n’avaient généré que de petites sections du système nerveux central – par exemple, uniquement la moelle épinière ou le cerveau antérieur, mais pas les deux à la fois », explique-t-elle.
(de gauche à droite) Alfredo-Isaac Ponce-Arias et le professeur Orly Reiner du département de génétique moléculaire de Weizmann.
La puce microfluidique permet aux chercheurs de verser des morphogènes, dans presque toutes les directions et à tout moment, dans les réservoirs qui contiennent les organoïdes. Au centre de la puce se trouvent des surfaces étroites et adhésives de 4 millimètres de long, comme le système nerveux central d’un embryon d’un mois. Les cellules souches sont intégrées sur toute la longueur de ces surfaces, qui sont ensuite recouvertes d’un gel simulant l’environnement extracellulaire, ce qui permet aux cellules de se développer en tissu tridimensionnel. En peu de temps, les cellules s’organisent spontanément en un tube creux. Après trois jours, et à l’aide d’un réservoir situé à l’une des extrémités de la puce, les chercheurs commencent à ajouter des morphogènes qui diffusent lentement sur toute la longueur ou la largeur du tissu.
Les chercheurs ont rapidement constaté que les cellules souches présentes sur la puce se transformaient en différents types de cellules du système nerveux central embryonnaire. Le côté de la puce présentant la plus forte concentration de morphogènes a donné naissance à des cellules qui se sont développées en cellules de l’extrémité de la moelle épinière, suivies par les cellules destinées au milieu de la moelle épinière, puis au cerveau postérieur, au cerveau moyen et, à l’extrémité la plus éloignée, au cerveau antérieur. « Lorsque nous avons caractérisé les nouveaux organoïdes, nous avons constaté un ordre parfait sur toute la longueur du système nerveux central, tel qu’il apparaît au stade embryonnaire précoce », explique le Prof. Reiner.
Le professeur Jianping Fu, du Département de Génie Mécanique de l’université du Michigan, dans son laboratoire avec un étudiant en recherche. Photo par Marcin Szczepanski, Michigan Engineering
Après avoir créé le tube longitudinal du système nerveux central, les chercheurs ont relevé un autre défi : reproduire le développement du cerveau antérieur de l’embryon le long de l’axe ventral-dorsal. Deux types de cellules essentielles au fonctionnement du cerveau adulte sont généralement générés dans le cerveau antérieur : les neurones excitateurs, qui encouragent l’allumage des neurones, et les neurones inhibiteurs, qui bloquent cet allumage. « Jusqu’à présent, nous devions cultiver chacun de ces types de cellules sur une plaque différente en exposant deux organoïdes à des concentrations de morphogènes différentes, puis essayer de les réunir », explique le Prof. Reiner.
Mais la nouvelle puce microfluidique a permis aux chercheurs de répartir les concentrations de morphogènes de manière à ce que les deux types de neurones soient générés dans le même tissu. Pour ce faire, ils ont d’abord créé le tube longitudinal, comme décrit ci-dessus, et au septième jour, ils ont versé des morphogènes près du cerveau antérieur, mais loin de la moelle épinière. En peu de temps, les cellules qui se transformeront plus tard en cellules inhibitrices sont apparues à l’intérieur du tube, tandis que celles destinées à devenir des cellules excitatrices sont apparues à l’extérieur du tube – exactement comme cela se produit au cours du développement embryonnaire.
Les chercheurs ont utilisé des protéines codées par couleur pour révéler l’identité des cellules dans les organoïdes qu’ils ont produits. Dans quatre organoïdes simulant le système nerveux central de l’embryon, le magenta marque les protéines associées au développement du cerveau antérieur et du cerveau moyen, le vert, le cerveau postérieur et le rouge, le centre de la moelle épinière.
Les chercheurs soulignent que leur puce ne reproduit pas les premiers stades de développement du système nerveux central. « Nous sautons en fait les premiers stades et poussons les cellules souches jusqu’au stade de développement typique d’un embryon de quatre semaines », explique le Prof. Reiner. Néanmoins, en quelques jours, un tissu tridimensionnel s’est formé et il ressemblait remarquablement au système nerveux central de l’embryon, tant au niveau des cellules qu’il contenait que de l’ordre dans lequel elles apparaissaient. Cela a permis à l’équipe d’étudier, par exemple, les gènes impliqués dans la différenciation des populations cellulaires de la moelle épinière, un processus qui n’était pas compris auparavant.
La puce aide déjà les chercheurs à mieux comprendre les questions liées au développement du système nerveux humain. L’équipe du Prof. Reiner, par exemple, a intégré la technologie dans ses travaux et utilise la puce pour étudier comment les maladies génétiques affectent le développement longitudinal de certaines parties du cerveau. Ils espèrent que d’autres chercheurs utiliseront cette technologie pour améliorer notre compréhension d’un large éventail de maladies qui endommagent le système nerveux.
À gauche : schéma de la nouvelle puce microfluidique qui permet aux chercheurs de créer des concentrations variables de morphogènes. À droite : Schéma du système nerveux central de l’embryon.
La science en chiffres
Le tube neural, un tissu de 4 millimètres de long qui donnera plus tard naissance au système nerveux, est créé au cours de la quatrième semaine de grossesse. Lorsque le bébé vient au monde, son cerveau contient environ 100 000 000 000 – cent milliards – de cellules nerveuses. Cela signifie qu’au cours des 9 mois de grossesse, le tube neural produit en moyenne 253 677 cellules nerveuses par minute.
