Dans une récente revue publiée dans la revue Organoïdesles scientifiques ont présenté un aperçu de l’utilisation d’organoïdes dérivés de cellules souches humaines pour comprendre la fonctionnalité et le tropisme cellulaire du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-Cov-2), un bêta-coronavirus mortel responsable de la maladie à coronavirus en cours 2019 ( Pandémie de covid19.
Étude : Modèles organoïdes d’infection par le SRAS-CoV-2 : qu’avons-nous appris sur le COVID-19 ?
Sommaire
Contexte
Les organoïdes sont des structures tissulaires multicellulaires tridimensionnelles qui imitent la structure et la fonction des organes endogènes correspondants. Les cellules spécifiques à un organe dérivées de cellules souches humaines peuvent s’auto-organiser pour former des organoïdes. Deux types de cellules souches sont principalement utilisées pour la préparation d’organoïdes. Celles-ci comprennent les cellules souches embryonnaires pluripotentes ou les cellules souches pluripotentes induites et les cellules souches restreintes à un organe.
Les organoïdes ont montré des résultats prometteurs dans la compréhension de la pathogenèse des infections respiratoires et intestinales. Par exemple, lors de l’épidémie de virus Zika, les organoïdes cérébraux développés à partir de cellules souches pluripotentes induites ont été largement utilisés pour comprendre la pathogenèse de la maladie.
Structure schématique du virion SARS-CoV-2 et du cycle de vie viral. Le virion SARS-CoV-2 contient une enveloppe avec trois protéines : la protéine de pointe (S), les protéines de membrane (M) et d’enveloppe (E). Le génome de l’ARN viral et la protéine de la nucléocapside (N) sont contenus à l’intérieur de la particule. Le schéma du virion montre plus en détail la sous-unité 1 de la protéine S (S1) contenant le domaine de liaison au récepteur (RBD). Le cycle de réplication du SARS-CoV-2 montre deux modes d’entrée virale (voies endocytaires et médiées par TMPRSS2). Les deux nécessitent l’amarrage à ACE2 à la surface cellulaire et la libération du génome viral dans le cytoplasme via la fusion membranaire. La voie endocytaire est inhibée par (hydroxy)chloroquine et E64d, tandis que l’entrée médiée par TMPRSS2 est inhibée par camostat. Après synthèse du génome viral et des protéines, les particules virales sont assemblées et sortent de la cellule infectée.
Organoïdes dans COVID-19
Le SRAS-CoV-2 est un virus à ARN enveloppé, simple brin et à sens positif appartenant à la famille des bêta-coronavirus humains. Étant un virus respiratoire, il infecte principalement les cellules épithéliales des voies respiratoires, provoquant des infections dans les voies respiratoires supérieures et inférieures. Cependant, le virus induit également des infections dans les vaisseaux sanguins, le cœur, l’intestin, le cerveau, le foie et les reins dans les cas graves.
La technologie organoïde a joué un rôle extrêmement vital dans la compréhension du cycle de vie et du tropisme cellulaire du SRAS-CoV-2, des interactions hôte-virus et de la pathogenèse du multisystème COVID-19. Divers organoïdes spécifiques à un organe ont été utilisés dans des études liées au COVID-19 pour comprendre la pathologie de la maladie dans des tissus spécifiques.
Modèles organoïdes utilisés dans les études sur l’infection par le SRAS-CoV-2.
Modèles organoïdes des voies respiratoires
Des organoïdes respiratoires développés à partir d’épithélium des voies respiratoires humaines dérivé de cellules progénitrices ont été utilisés pour comprendre le tropisme cellulaire du SRAS-CoV-2 dans les voies respiratoires. Ces organoïdes peuvent être différenciés à une interface air-liquide ou intégrés dans une matrice. Plusieurs types de cellules sont inclus dans les organoïdes respiratoires, notamment les cellules basales, les cellules ciliées et les cellules caliciformes.
Des études utilisant des organoïdes respiratoires ont confirmé que le SRAS-CoV-2 infecte principalement les cellules ciliées et que l’entrée et la libération virales se produisent à partir de la surface apicale des voies respiratoires. De plus, il a été observé que les expressions de l’enzyme de conversion de l’angiotensine 2 (ACE2) et de TMPRSS2 (protéines de la cellule hôte facilitant l’entrée virale) sont significativement élevées dans l’épithélium du nez, qui diminuent progressivement vers les voies respiratoires proximales. Des études utilisant des organoïdes de bourgeons pulmonaires ont démontré que les pneumocytes de type II soutiennent l’infection par le SRAS-CoV-2 dans la région alvéolaire.
Plusieurs cultures d’organoïdes établies à partir de tissus respiratoires sont maintenant disponibles dans le commerce, notamment des organoïdes du nez, des bronches, des alvéoles et des poumons. Bien qu’ils soient coûteux, les organoïdes commerciaux jouent un rôle extrêmement important dans le développement de médicaments et de vaccins contre le COVID-19.
Modèles organoïdes d’épithélium intestinal
Des cellules souches épithéliales intestinales adultes ont été utilisées pour développer des organoïdes intestinaux humains afin d’étudier la pathogenèse de l’infection par le SRAS-CoV-2 dans le tractus gastro-intestinal. En utilisant des organoïdes de l’intestin grêle humain avec des organoïdes alvéolaires, la différence de capacité de réplication entre la souche SARS-CoV-2 d’origine et la variante alpha a été établie.
En raison de la forte expression d’ACE2 et de TMPRSS2, les petits organoïdes intestinaux ont été largement utilisés pour comprendre le large éventail de dynamiques de transmission et d’infection du SRAS-CoV-2 ainsi que les changements induits par le virus dans le microbiote intestinal. De plus, ces organoïdes ont été utilisés pour cribler des agents antiviraux potentiels.
Modèles organoïdes du système cardiovasculaire
Des cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites ont été utilisés pour développer des organoïdes cardiaques. Des études utilisant ces organoïdes ont montré que l’entrée du SRAS-CoV-2 dans les cardiomyocytes nécessite une interaction avec l’ACE2 ; cependant, l’entrée peut se faire via la voie endocytaire ou dépendante de TMPRSS2. Ces organoïdes ont également été utilisés pour identifier les inhibiteurs du SRAS-CV-2 et comprendre les dommages cardiaques causés par le virus.
Des organoïdes capillaires dérivés de cellules souches pluripotentes induites ont été utilisés pour confirmer une infection SARS-CoV-2 productive dans les cellules endothéliales. De plus, chez les patients COVID-19, une association significative a été observée entre les cellules endothéliales circulantes et la gravité de la maladie.
Pour comprendre le large éventail de pathologies cardiovasculaires liées au COVID-19, des organoïdes plus complexes, dans lesquels le système vasculaire est intégré à l’organe, sont nécessaires.
Modèles organoïdes du cerveau
Des organoïdes cérébraux dérivés de cellules souches embryonnaires humaines ou de cellules souches pluripotentes induites ont été utilisés pour comprendre le mécanisme d’entrée du SRAS-CoV-2 dans le système nerveux central ainsi que les complications neurologiques induites par le virus, notamment les maux de tête, les étourdissements et la perte de l’odorat. et goût, convulsions, encéphalopathie et maladie cérébrovasculaire. Divers organoïdes cérébraux spécifiques à une région, y compris des organoïdes corticaux, hippocampiques, hypothalamiques et mésencéphaliques, ont été développés. Cependant, ces organoïdes n’ont pas réussi à confirmer une infection SARS-CoV-2 productive dans le cerveau.
Une infection cérébrale de production a été confirmée en utilisant des organoïdes cérébraux contenant de l’épithélium du plexus choroïde. Ce modèle a montré que les dommages épithéliaux induits par le SRAS-CoV-2 entraînent une perte de la fonction de barrière, facilitant l’entrée virale dans le cerveau.
Modèles organoïdes de rein
Des organoïdes rénaux modifiés exprimant ACE2 et TMPRSS2 ont été développés pour comprendre les pathologies rénales induites par le SRAS-CoV-2. De même, des cellules épithéliales de tubules proximaux de rein humain normal ont été utilisées pour développer des organoïdes d’épithélium rénal intégrés dans une matrice. Pour développer des organoïdes rénaux, des conditions de reprogrammation conditionnelle ont été utilisées pour créer initialement des cultures bidimensionnelles à long terme, suivies de leur différenciation en organoïdes tridimensionnels.
Modèles organoïdes de l’œil
Les surfaces oculaires, y compris la cornée, la sclérotique et le limbe, sont considérées comme des sites alternatifs d’infection par le SRAS-CoV-2. Des organoïdes rétiniens et « de l’œil entier » induits par des cellules souches pluripotentes induites par des cellules souches embryonnaires humaines ont été utilisés pour étudier l’infection oculaire par le SRAS-CoV-2. Ces études ont confirmé l’expression de l’infection ACE2 et TMPRSS2 et SARS-CoV-2 en cellules de limbe.
Collectivement, un large éventail de modèles précliniques d’organoïdes humains développés pendant la pandémie de COVID-19 fournit une plate-forme précieuse pour étudier le cycle de vie viral, la transmissibilité et la pathogenèse.[if–>
