Un modèle 3D fonctionnel de tissu cérébral humain a été développé à partir de cultures de cellules souches pluripotentes induites, ce qui donne aux chercheurs de meilleures possibilités d’explorer les interactions entre les cellules saines et anormales du cerveau.
Alors que des “mini-cerveaux” sont cultivés en laboratoire depuis des années – représentant non seulement des cerveaux humains mais aussi ceux de nos parents disparus – cette technique adopte une approche légèrement différente pour développer un échafaudage tridimensionnel précis de tissu neuronal fonctionnel.
Des recherches menées par des neuroscientifiques de l’université Tufts, dans le Massachusetts, ont adopté une nouvelle approche pour construire de minuscules cerveaux en dehors du corps humain, en se basant sur des iPSC, c’est-à-dire des cellules du corps humain que l’on a encouragées à revenir à l’état vierge. Les cellules souches pluripotentes induites, ou iPSC, sont des cellules souches qui se développent dans le corps humain
“Nous avons trouvé les bonnes conditions pour que les iPSC se différencient en un certain nombre de sous-types neuraux différents, ainsi qu’en astrocytes qui soutiennent les réseaux neuraux en expansion”, explique l’ingénieur biomédical David L. Kaplan de Tufts.
L’utilisation de cellules souches pour créer des organoïdes de tissu nerveux n’a rien de nouveau. Nous le faisons depuis un certain temps déjà pour créer des modèles de cerveaux humains, que nous étudions non seulement dans des verreries mais aussi dans des modèles animaux.
Mais le développement de ces blocs de tissu pose encore un certain nombre de problèmes. Beaucoup se développent en amas denses, ce qui rend difficile la circulation de l’oxygène et l’identification des cellules individuelles tout en maintenant une disposition tridimensionnelle authentique.
La croissance des tissus neuronaux en une représentation précise d’un réseau de cellules cérébrales qui peut être étudié facilement, exige un “récif” parfait auquel les cellules s’accrochent et un environnement adéquat pour favoriser leur différenciation en types de cellules appropriés.
Certaines approches font appel à des hydrogels semblables à des tissus, tandis que d’autres se tournent vers des échafaudages poreux en polystyrène. Chacune présente des avantages, mais a un coût.
Cette nouvelle méthode mélange un peu les choses, en créant une matrice en forme de toile à partir de la fibroïne, une protéine de la soie, pour espacer les cellules, puis en l’immergeant dans un hydrogel de collagène pour obtenir une véritable structure de soutien.
“Les échafaudages en soie-collagène offrent un environnement propice à la production de cellules présentant les signatures génétiques et les signaux électriques que l’on trouve dans les tissus neuronaux natifs”, explique M. Kaplan.
Un tel équilibre architectural constitue un foyer idéal pour que les cellules souches s’installent et se développent en une riche variété de cellules que l’on trouve dans un cerveau humain adulte, en les espaçant sans compromettre leur activité.
Mieux encore, la répartition des cellules permet aux nutriments et à l’oxygène de circuler beaucoup mieux dans le tissu.
En créant une structure en forme de “beignet” pour la matrice, les chercheurs ont pu utiliser une fenêtre centrale dans le tissu en développement et observer sa croissance en temps réel. À l’avenir, différentes structures pourraient être utilisées pour surveiller la croissance de diverses manières.
Compte tenu des difficultés et des défis éthiques liés à l’étude de la croissance et du développement des réseaux neuronaux humains, qu’ils soient sains ou malades, il est vital pour la recherche de trouver de meilleurs moyens d’analyser les cellules cérébrales cultivées dans un cadre aussi naturel que possible.
Ces organoïdes constituent un pas prometteur dans la bonne direction.
“La croissance des réseaux neuronaux est soutenue et très cohérente dans les modèles tissulaires 3D, que nous utilisions des cellules d’individus sains ou des cellules de patients atteints de la maladie d’Alzheimer ou de Parkinson”, explique William Cantley, chercheur à l’université Tufts.
“Cela nous donne une plateforme fiable pour étudier différentes conditions pathologiques et la possibilité d’observer ce qui arrive aux cellules sur le long terme.”
Les développements futurs devraient permettre de tisser encore plus de types de cellules, créant des organoïdes toujours plus complexes et structurés pour en faire à la fois une représentation précise et facile à étudier.
Cette recherche a été publiée dans ACS Biomaterials Science & Engineering.