Le petit embryon de souris a un cœur qui bat. Ses muscles, ses vaisseaux sanguins, ses intestins et son système nerveux commencent à se développer. Mais cet embryon est inhabituel : il a été fabriqué en laboratoire à partir de cellules souches embryonnaires de souris et représente le modèle in vitro (dans une boîte) le plus sophistiqué jamais créé d’un mammifère.
Ce nouveau modèle, développé à la faculté de médecine de l’Université de Virginie par Christine et Bernard Thisse, est une avancée majeure dans les efforts des scientifiques pour imiter le développement naturel d’un mammifère en utilisant des cellules souches. Son existence est une merveille qui aidera les scientifiques à comprendre le développement des mammifères, à combattre les maladies, à créer de nouveaux médicaments et, éventuellement, à développer des tissus et des organes pour les personnes ayant besoin de greffes.
Nous avons trouvé un moyen d’instruire des agrégats de cellules souches pour initier le développement embryonnaire. En réponse à cette instruction contrôlée, les agrégats se développent en entités semblables à des embryons dans un processus qui récapitule les étapes embryonnaires une par une. Ce qui est étonnant, c’est que nous pouvons obtenir la variété de tissus qui sont présents dans un embryon de souris authentique. »
Christine Thisse, PhD, Département de biologie cellulaire, Université de Virginie
Bernard Thisse, PhD, qui fait également partie du Département de biologie cellulaire, a souligné l’importance de cette avancée : « Les organes humains sont constitués de plusieurs types de cellules qui proviennent de différentes parties de l’embryon en croissance », a-t-il déclaré.
« L’intestin, par exemple, est composé de cellules qui forment un tube creux. Des modèles de ce tube dans une boîte ont été réalisés et sont appelés organoïdes intestinaux. Cependant, ce tube ne suffit pas à fabriquer un intestin fonctionnel car cet organe contient d’autres composants, tels que les muscles lisses, les vaisseaux sanguins et les nerfs qui contrôlent le fonctionnement de l’intestin et qui sont fabriqués à partir de cellules d’origines différentes.
Le seul moyen d’avoir toute la variété de cellules nécessaires à la formation d’organes fonctionnels est de développer des systèmes dans lesquels toutes les cellules précurseurs sont présentes. Les entités ressemblant à des embryons que nous avons conçues à l’aide de cellules souches fournissent exactement cela. »
Le potentiel des cellules souches
Les cellules souches sont des cellules spéciales qui peuvent se transformer en d’autres types de cellules avec des fonctions spécifiques. Par exemple, les cellules souches se transforment en notre cœur, notre cerveau, nos os, nos nerfs. Les scientifiques ont donc été impatients d’exploiter le potentiel des cellules souches, de les mettre au service de la recherche médicale et de bénéficier aux patients humains. Mais la construction de modèles sophistiqués avec plusieurs types de cellules s’est avéré incroyablement difficile.
Il est bien plus facile de diriger la formation d’un seul type cellulaire dans une parabole que de diriger l’orchestre nécessaire au développement d’un organisme comme dans la nature.
Le nouveau modèle des Thisses se distingue par sa sophistication. Il s’agit du premier modèle in vitro d’embryon de mammifère avec autant de tissus à construire à partir de cellules souches, rapportent les chercheurs. Plus important encore, ces structures sont organisées comme il se doit, autour de la notocorde (le précurseur de la colonne vertébrale), un trait caractéristique des animaux vertébrés. Dans le modèle de Thisses, différents types de cellules sont tissés ensemble de manière élégante et correcte – une énorme réussite.
Pour ce faire, les Thèses et leurs collaborateurs ont dû surmonter certains des plus grands défis dans le domaine des cellules souches. Les modèles précédents ne se développaient pas correctement, n’étaient pas organisés correctement ou étaient en proie à d’autres problèmes.
En utilisant leur expertise en biologie du développement et en s’appuyant sur leurs travaux antérieurs utilisant des cellules d’embryons de poisson (publiés dans la revue Science en 2014), les Thèses ont résolu ces problèmes. Le résultat est le début d’une souris dans une boîte avec des cellules et des tissus correctement organisés.
Avec le modèle des Thèses, la notocorde est présente et prise en compte ; le tube digestif commence à se développer; le cœur bat ; et, pour la première fois in vitro, un système nerveux se développe avec la formation d’un tube neural.
« Ce modèle de souris in vitro montre que nous sommes capables d’inciter les cellules à exécuter des programmes de développement complexes dans la bonne succession d’étapes. La fabrication de toute la variété de tissus nous permet d’espérer que la communauté scientifique sera capable de construire des organes avec une bonne la vascularisation, l’innervation et les interactions avec d’autres tissus », a déclaré Christine Thisse.
« C’est essentiel pour pouvoir un jour produire des organes de remplacement humains fonctionnels dans une boîte. Cela permettrait de pallier la pénurie d’organes pour les greffes. »
Le nouveau modèle des Thisses n’est pas encore une souris complète et ne peut pas en devenir une. Des pièces clés manquent encore, comme la partie antérieure du cerveau. Pour l’instant, le développement des embryoïdes s’arrête à un moment correspondant à la période moyenne de gestation d’un embryon de souris.
La véritable réussite des chercheurs est de développer une approche efficace pour créer des structures sophistiquées de type embryonnaire, imitant le développement d’un embryon de souris. Cela fait considérablement progresser leur domaine et donne aux scientifiques un contrôle plus personnalisé sur les cellules souches qu’ils ne l’ont jamais connu.
« Les embryoïdes que nous produisons actuellement manquent des domaines cérébraux antérieurs », a déclaré Bernard Thisse. « Cependant, avec les techniques que nous avons développées, nous devrions être capables, à un moment donné, de manipuler les signaux moléculaires qui contrôlent la formation d’embryons, et cela devrait conduire à générer des entités de type embryonnaire contenant tous les tissus et organes, y compris le cerveau antérieur. »
« Les connaissances que nous avons acquises tout au long de notre carrière de biologiste du développement ont servi de point de départ à cette étude dans le domaine des cellules souches », a déclaré Christine Thisse. « Ce fut un grand saut pour nous, mais cela montre que si vous avez une idée solide, elle peut être utilisée pour franchir des barrières et peut être développée à d’autres fins. Je dis ça pour les étudiants : Rien n’est définitif, il y a de la place pour savoir plus et pour résoudre des problèmes. »
« Voir un embryon se développer est une chose merveilleuse à voir », a-t-elle ajouté. « J’ai de la chance que mon travail m’ait amené à contribuer à la connaissance du développement des embryons d’invertébrés et de vertébrés, et qu’en utilisant ces principes, nous avons pu produire la formation d’embryons dans une boîte en utilisant des cellules souches comme briques de construction. »
La source:
Système de santé de l’Université de Virginie
Référence de la revue :
Xu, PF., et al. (2021) Construction d’un modèle d’embryon de mammifère à partir de cellules souches organisé par un centre de signalisation morphogène. Communication Nature. doi.org/10.1038/s41467-021-23653-4.
