Les études sur les maladies qui affectent le cerveau humain sont généralement basées sur des modèles animaux qui ne peuvent pas reproduire la complexité des neuropathies humaines. Par conséquent, ces méthodologies échouent souvent lorsqu’elles sont appliquées dans un environnement clinique avec des patients. Dans ce contexte, les découvertes des techniques de reprogrammation cellulaire pour générer des cultures de neurones humains à partir de cellules cutanées ont révolutionné l’étude et le développement de thérapies innovantes en neurosciences.
Une étude publiée dans la revue Rapports sur les cellules souches révèle que cette méthodologie de reprogrammation cellulaire permet la création de réseaux de neurones qui reproduisent des caractéristiques uniques des cellules humaines -;différentes de celles obtenues à partir de cellules de rongeurs- ; avec une dynamique temporaire qui rappelle le développement du cerveau humain. Ainsi, des modèles cellulaires basés sur des cellules humaines reprogrammées pourraient stimuler le développement de nouvelles thérapies efficaces dans la lutte contre les neuropathies et, en même temps, réduire l’utilisation d’animaux d’expérimentation en laboratoire.
L’étude est dirigée par le chercheur Daniel Tornero Prieto, de la Faculté de médecine et des sciences de la santé, l’Institut des neurosciences de l’Université de Barcelone (UBNeuro) et IDIBAPS. Les chercheurs Jordi Soriano Fradera et Estefanía Estévez-Priego, de la Faculté de physique et de l’Institut des systèmes complexes de l’UB (UBICS) et Zaal Kokaia, de l’Université de Lund (Suède), entre autres, ont également participé à l’étude.
La reprogrammation cellulaire pour dépasser les limites des modèles animaux
Malgré le partage d’une grande partie de notre génome avec la plupart des mammifères, « il existe des différences considérables entre nos cellules et celles d’autres espèces comme les rongeurs, qui sont utilisées comme modèles animaux pour la plupart des pathologies », note Daniel Tornero, du département de biomédecine de l’UB. . « En particulier -;ajoute-t-il-;, il existe des différences très importantes dans le cerveau, notamment en termes d’organisation et de connectivité. Cela rend nos capacités cognitives si différentes et cela explique aussi pourquoi les défauts à l’origine des pathologies qui affectent notre cerveaux ne se reproduisent pas de la même manière dans le cerveau de ces animaux ».
Les limites des études sur modèles animaux pourraient être dépassées par la technologie de reprogrammation cellulaire, basée sur l’induction de cellules souches pluripotentes humaines (hiPSC), qui a été développée par Shinya Yamanaka en 2007. Il s’agit d’une méthodologie qui peut générer des cultures de tout type cellulaire à partir de cellules. d’une personne majeure -;relativement simplement, efficacement et sans considérations éthiques pertinentes- ; avec un grand potentiel d’application clinique en thérapie cellulaire et en médecine régénérative.
Dans le cadre de l’étude, l’équipe a appliqué la technique des enregistrements intracellulaires du niveau de calcium pour comparer les propriétés des cultures neuronales générées avec la technologie de reprogrammation cellulaire à partir de cellules humaines avec celles obtenues à partir de cerveaux de rongeurs et humains. Cette technique fournit une mesure indirecte de l’activité neuronale : lors de l’influx nerveux, qui se transmet d’un neurone à l’autre, le taux de calcium s’élève de façon caractéristique et peut être enregistré par des capteurs intracellulaires de calcium.
Ce système d’étude permet un suivi à haute résolution de l’activité neuronale de manière dynamique tout au long de la vie de la culture. La stratégie expérimentale est complétée par l’utilisation de plaques spéciales qui permettent le suivi du même groupe de cellules au moyen de marques incorporées dans la surface de culture, une technique qui minimise les variables et génère des résultats plus fiables et précieux pour l’étude des réseaux de neurones.
Différences entre les différents circuits neuronaux
Pour la première fois, l’équipe a pu étudier et différencier les caractéristiques des différents circuits neuronaux générés, des structures biologiques qui à première vue pourraient sembler identiques.
Les résultats montrent que les neurones d’origine humaine se comportent différemment lorsqu’il s’agit de générer des circuits neuronaux d’un point de vue fonctionnel. Ces caractéristiques peuvent expliquer en partie les problèmes liés aux modèles animaux utilisés pour étudier les pathologies du cerveau humain.
« Tout d’abord, ce qui nous frappe le plus, c’est l’échelle de temps qui détermine la génération et la maturation du réseau neuronal. Les cultures issues de cellules humaines montrent un comportement dynamique riche et graduel, de sorte que le processus de maturation du réseau neuronal généré est clairement observés de 20 jours à 45 jours de culture », précise Daniel Tornero. « Pendant cette période, et grâce aux différents descripteurs que nous avons développés, nous avons pu analyser comment le réseau de neurones gagne en complexité au fil du temps, à mesure que les neurones humains deviennent de plus en plus connectés les uns aux autres », ajoute le chercheur.
De plus, les neurones humains sont capables d’établir des connexions beaucoup plus longues au sein de la culture, une propriété qui serait déterminée par leur biologie, puisque le cerveau humain est beaucoup plus gros que celui des rongeurs.
Cependant, les circuits neuronaux générés à partir de cellules de rongeurs présentent un comportement monotone à partir de temps très courts, avec peu de changements tout au long de leur évolution. »
Daniel Tornero Prieto, Faculté de médecine et des sciences de la santé, Institut des neurosciences de l’Université de Barcelone
Protocoles sûrs et banques de cellules compatibles
Les modèles cellulaires basés sur des cellules humaines reprogrammées émergent comme une étape intermédiaire pertinente entre les études animales et l’application clinique. La génération de ces modèles cellulaires pour l’étude de maladies à partir de cellules humaines reprogrammées est bien établie dans les études précliniques -;cultures 2D ou systèmes d’organes sur puce (OoCs)- ; et plus récemment, dans la génération de systèmes 3D basés sur l’utilisation de biomatériaux, d’organoïdes ou de bio-impression.
En médecine régénérative, l’application de cette technologie dans des stratégies de thérapie cellulaire révèle un grand potentiel et les essais cliniques sont nombreux sur diverses pathologies (diabète de type 1, infarctus du myocarde, lésion médullaire, dégénérescence maculaire, maladie de Parkinson, etc.). Établir des protocoles sûrs et fiables et générer des banques de cellules compatibles avec les différents groupes allogéniques qui existent dans la population sont quelques-uns des défis les plus ambitieux dans ce domaine d’étude.
« Ces nouvelles approches peuvent être très précieuses pour valider différentes thérapies en préclinique, notamment lors de l’étude de pathologies affectant des processus complexes basés sur l’organisation des circuits neuronaux (maladies neurodéveloppementales, troubles du spectre autistique, pathologies neurodégénératives, etc.) », précise Daniel Tornero.
« En outre, une reprogrammation cellulaire basée sur l’induction de cellules souches pluripotentes humaines permettrait de générer des modèles spécifiques au patient et, à l’aide d’outils d’édition de gènes (comme la technique CRISPR/Cas9), il serait possible d’obtenir des cellules témoins dans laquelle la mutation responsable de la pathologie est corrigée », conclut le chercheur.
