Depuis plus d'une décennie, les scientifiques cultivent des organoïdes – de petits grappes de cellules qui imitent un organe particulier – pour servir de modèles biologiques miniatures. Les organoïdes du cerveau ont été utilisés pour étudier les troubles neurodéveloppementaux; organoïdes intestinaux, pour modéliser la maladie cœliaque; et les organes pulmonaires, pour enquêter sur le SARS-COV-2. Des organes cardiaques ont même été envoyés dans l'espace pour tester l'effet de la microgravité sur le muscle cardiaque. Mais il y a un petit problème – les organoïdes ne peuvent pas grandir qu'une graine de sésame.
Contrairement aux tissus vivants dans le corps, les organoïdes n'ont pas de système de vaisseau sanguin qui fournit de l'oxygène et des nutriments à chaque cellule. Au-delà de 3 millimètres de diamètre, un organoïde ne peut plus se maintenir en absorbant les ressources directement de son environnement.
Lorsque vous cultivez des organoïdes à une certaine taille, ils commencent à mourir à l'intérieur, car ils ne peuvent pas obtenir de l'oxygène et des nutriments au centre. «
Oscar Abilez, MD, PhD, scientifique principal, Division de la chirurgie cardiaque pédiatrique
Mais pour une étude publiée le 5 juin ScienceAbilez et une équipe de chercheurs en médecine de Stanford ont cultivé des organes cardiaques et hépatiques remplis de minuscules vaisseaux sanguins, leur permettant potentiellement de surmonter la limite de taille actuelle.
La capacité de cultiver des organoïdes vascularisés surmonte un goulot d'étranglement majeur sur le terrain, a déclaré Abilez, qui est co-auteur de l'étude. Les vaisseaux sanguins intégrés pourraient permettre aux organoïdes non seulement de grandir, mais aussi d'atteindre un état plus mature, ce qui les rend plus utiles que les modèles biologiques.
Huaxiao (Adam) Yang, ancien instructeur au Stanford Cardiovascular Institute et maintenant professeur adjoint en génie biomédical à l'Université du Nord du Texas, a co-dirigé l'étude.
Ils pourraient également être la prochaine étape des thérapies régénératives, a déclaré Joseph Wu, MD, PhD, auteur principal de l'étude. Wu est professeur de médecine et de radiologie, directeur du Stanford Cardiovascular Institute et Simon H. Stertzer, MD, professeur.
Dans une étude clinique distincte dirigée par WU, les chercheurs en médecine de Stanford injectent des cellules musculaires cardiaques cultivées en laboratoire, appelées cardiomyocytes, chez les patients souffrant de dysfonctionnement cardiaque. « Mais le tissu cardiaque réel contient plus que les cardiomyocytes », a déclaré Wu. « Il existe des cellules endothéliales qui bordent les vaisseaux sanguins, les cellules musculaires lisses qui entourent les vaisseaux sanguins, les péricytes qui relient les vaisseaux sanguins, les fibroblastes et autres cellules. »
À l'avenir, peut-être les organes cardiaques vascularisés cultivés à partir de cellules souches d'un patient pourraient être implantés chirurgicalement pour remplacer les tissus perdus ou endommagés.
« La pensée est que si les organoïdes ont un système vasculaire, ils pourraient se connecter avec le système vasculaire hôte, et cela leur donnera une meilleure chance de survivre », a déclaré Abilez.
Tests de recettes
Les scientifiques cultivent des organoïdes à partir de cellules souches pluripotentes en baignant les cellules dans divers produits chimiques – facteurs de croissance et autres petites molécules – pour induire leur transformation en différents types de cellules.
Mais les tentatives de croissance des organes cardiaques vascularisés ont produit des niveaux incohérents des types de cellules nécessaires pour former des vaisseaux sanguins. D'autres chercheurs ont essayé une approche d'ingénierie, cultivant séparément les cellules endothéliales, ou même les réseaux vascularisés de bioprine 3D, puis les combinant avec un organe cardiaque. Mais aucun n'a atteint des organoïdes avec des systèmes de vaisseaux sanguins réalistes.
« Ils ne font pas vraiment de navires ramifiés avec des passages », a déclaré Abilez.
Dans l'étude récemment publiée, l'équipe a décidé d'optimiser une recette chimique pour cultiver des organes cardiaques qui pourraient générer de manière fiable presque tous les types de cellules dans le cœur humain, y compris des cellules qui forment un réseau robuste de vaisseaux sanguins.
Les chercheurs ont examiné les méthodes établies pour créer trois types clés de cellules: les cardiomyocytes, les cellules endothéliales et les cellules musculaires lisses. Ils ont combiné ces méthodes en 34 recettes différentes, ou des conditions de croissance – spécifiant quels facteurs de croissance, combien et quand les ajouter – pour créer des organes cardiaques contenant les trois types de cellules.
Ils ont également modifié les cellules souches à fluorescence dans différentes couleurs lorsqu'elles se sont transformées en trois types de cellules.
Lorsqu'ils ont testé les 34 recettes sur les cellules souches et leur ont permis de croître pendant environ deux semaines, une en particulier – la condition 32 – était le gagnant clair. Il a produit l'organe cardiaque le plus coloré.
« C'était assez évident », a déclaré Abilez. « Nous avons choisi celui qui nous a donné le plus de ces trois couleurs fluorescentes, qui correspondent aux plus cardiomyocytes, aux cellules endothéliales et aux cellules des muscles lisses. »
Sous la microscopie 3D, les organoïdes en forme de section ont été organisés avec des cardiomyocytes et des cellules musculaires lisses à l'intérieur, ainsi qu'une couche externe de cellules endothéliales qui formaient des vaisseaux sanguins indubitables. Ces minuscules récipients tubulaires ramifiés ressemblent aux capillaires du cœur, qui sont de 10 à 100 microns, sur la largeur d'un cheveux, de diamètre.
Lorsque les chercheurs ont analysé les autres cellules des organoïdes en utilisant le séquençage d'ARN unique, ils ont été surpris de trouver presque tous les autres types de cellules du cœur. Chaque organoïde contenait 15 à 17 types de cellules différents, comparables à un cœur embryonnaire âgé de six semaines, qui a 16 types de cellules. Un cœur adulte a 21 types de cellules.
« Il y avait tous ces autres types de cellules qui se trouvent dans le cœur », a déclaré Abilez. « C'était inattendu de manière positive. »
Modèle de développement
La recette gagnante semble approximativement les conditions trouvées aux premiers stades du développement embryonnaire, lorsque différents types de cellules émergent et que les vaisseaux sanguins commencent à se former.
Cela suggère que les organoïdes pourraient être précieux en tant que modèles des premiers stades du développement humain, une période difficile à étudier.
« Il y a cette boîte noire de développement en début de grossesse alors qu'elle n'est pas possible, éthiquement, de tester les médicaments », a déclaré Abilez.
Comme preuve de concept, les chercheurs ont testé le fentanyl, un opioïde puissant et souvent mal utilisé, sur les organes cardiaques vascularisés. Ils ont constaté que les organoïdes exposés au fentanyl généraient plus de vaisseaux sanguins.
« Nous ne savons pas encore comment cela pourrait se manifester chez un nouveau-né, mais c'est une différence », a déclaré Abilez.
Autres organes
Les chercheurs ont également montré que leur stratégie de vascularisation pouvait être adaptée pour créer d'autres organoïdes. En combinant des méthodes établies pour différencier les types de cellules clés dans le foie, ils ont créé des organoïdes hépatiques avec des réseaux robustes de vaisseaux sanguins.
Dans les études futures, les chercheurs permettront aux organoïdes vascularisés de se développer plus longtemps pour voir à quel point ils deviennent grands et matures. Ils prévoient également d'optimiser davantage leurs recettes de vascularisation pour générer encore plus de types de cellules dans les organoïdes, comme les cellules immunitaires et les cellules sanguines, pour ressembler plus étroitement à la composition d'un cœur adulte et d'un meilleur modèle de maladies adultes, a déclaré Wu.
« J'adorerais pouvoir le faire dans tous les différents types organoïdes », a déclaré Abilez. « Après tout, presque tous les organes de notre corps ont un système de vaisseau sanguin. »
Des chercheurs de l'Université du Nord du Texas, de Rosebud Biosciences, de Bullseye Biotechnologies et de Greenstone Biosciences ont contribué à l'œuvre.
