Dans une étude récente publiée dans Celluleles chercheurs ont établi les organoïdes cérébraux fœtaux (FeBO) comme plate-forme polyvalente pour la modélisation du cancer du cerveau.
Étude: Le cerveau fœtal humain s’auto-organise en organoïdes en expansion à long terme. Crédit d’image : cônes/Shutterstock.com
Que sont les organoïdes ?
Les organoïdes humains, qui sont des structures tridimensionnelles (3D) dérivées de cellules souches, imitent fidèlement les tissus réels, permettant ainsi l’étude de la biologie humaine en matière de santé et de maladie. Les organoïdes peuvent provenir soit de cellules souches pluripotentes (PSC), soit de cellules souches tissulaires (TSC).
Les organoïdes PSC reproduisent les étapes de développement, tandis que les organoïdes TSC issus de tissus adultes ou fœtaux utilisent les capacités de régénération du corps. Pris ensemble, ces modèles organoïdes offrent de nouvelles informations sur les voies de développement, les fonctions spécifiques aux tissus et les états pathologiques.
La recherche sur le développement du cerveau, qui repose traditionnellement sur des modèles animaux, bénéficie de l’utilisation d’organoïdes cérébraux 3D d’origine humaine. Néanmoins, ces organoïdes présentent des défis pour imiter les caractéristiques uniques du développement du cerveau humain, telles que l’expansion et la différenciation complexes.
Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour optimiser et améliorer la caractérisation, la spécification neuronale, les propriétés électrophysiologiques et le développement de protocoles de maturation plus raffinés pour les FeBO, ainsi que pour explorer leurs réponses et leur cytoarchitecture spécifiques à une région.
Résultats de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs étudient le développement d’organoïdes cérébraux humains à partir de tissus cérébraux fœtaux, en se concentrant sur la période précoce à moyenne de la neurogenèse. Les tissus biologiques jusqu’à 15 semaines de gestation ont été coupés en petits morceaux pour préserver l’architecture tissulaire. Ces fragments ont été cultivés dans un milieu sans sérum ni matrice extracellulaire (ECM) avec des facteurs de croissance pour finalement former des FeBO.
Les FeBO étaient associés à un taux de réussite élevé en culture de plus de 95 % et pouvaient être transmis de manière fiable, tout en conservant une expansion et une morphologie cohérentes entre différentes lignées et donneurs. Sur une période de huit mois, ces organoïdes ont présenté une croissance significative de la biomasse, pouvant atteindre 15 000 fois.
La composition cellulaire des FeBO a été analysée à l’aide de marqueurs neurodéveloppementaux. À cette fin, les FeBO étaient constitués d’abondantes cellules souches neurales/progénitrices et de cellules neuronales, y compris une population de cellules gliales radiales externes, un type de cellule enrichi chez les primates.
La microscopie électronique à transmission (TEM) a confirmé les caractéristiques du tissu neural telles que les neurites et les axones avec des microtubules présents dans les FeBO. De plus, des études sur les infections lentivirales ont soutenu la neurogenèse en cours dans ces organoïdes. La caractérisation transcriptomique a montré l’absence de marqueurs non neuroectodermiques et a confirmé l’identité neuroectodermique exclusive des FeBO.
Des FeBO spécifiques à une région ont été générés à partir de différentes régions du cerveau, qui présentaient des compositions cellulaires distinctes reflétant leurs régions d’origine. À cette fin, un test de réaction en chaîne par polymérase quantitative (qPCR) a été utilisé sur les fragments de tissus originaux, ce qui a confirmé que la plupart des tissus provenaient de la région télencéphale en raison de l’expression de la boîte à tête de fourche G1 (FOXG1+).
Les marqueurs du cerveau antérieur dorsaux et ventraux ont été identifiés dans les FeBO respectifs par les stigmates vides homeobox 1 (EMX1+) et la protéine de la boîte 6 appariée (PAX6+) expression dans les fragments dorsaux et l’homéobox 2 sans distal (DLX2+), GS homéobox 2 (GSX2+), et l’homéobox NK2 1 (NKX2-1+) expression dans des fragments de cerveau antérieur. La stabilité de la culture à long terme a été évaluée et un certain degré de maturation progressive a été observé dans les FeBO au fil du temps.
L’effet de la modification des conditions de culture sur la maturation du FeBO a également été étudié. Plus précisément, modifier le in vitro l’environnement en retirant certains facteurs de croissance et en ajoutant un extrait de membrane basale a ralenti l’expansion cellulaire et induit des changements dans l’expression des gènes qui étaient révélateurs de la maturation neuronale. Les FeBO mûris présentaient une expression accrue de marqueurs neuronaux et une expression réduite de certains marqueurs de cellules souches.
Des analyses comparatives ont révélé que les profils de matrice extracellulaire (ECM) des FeBO ressemblaient beaucoup au tissu cérébral humain en développement. De même, les analyses protéomiques ont confirmé la similitude des composants FeBO ECM avec ceux du tissu cérébral fœtal humain, distinguant ainsi ces organoïdes des modèles cérébraux 3D dérivés de la PSC.
Les résultats de l’étude démontrent que les FeBO peuvent servir de plate-forme polyvalente pour la modélisation du cancer du cerveau. Grâce à l’édition de répétitions palindromiques courtes et régulièrement espacées (CRISPR), des mutations associées à des troubles cérébraux et à des cancers ont été introduites, ce qui a ensuite conduit à des changements observables dans le comportement cellulaire et la réponse aux médicaments. Ces FeBO mutants, en particulier les lignées triple knock-out, ont été utilisés dans des tests de sensibilité aux mutations et aux médicaments, démontrant le potentiel d’une modélisation évolutive et reproductible du cancer du cerveau.
Conclusions
Les FeBO générés dans la présente étude ressemblaient à divers aspects du cerveau fœtal humain, notamment leur diversité cellulaire et leurs profils de transcription. Par rapport aux modèles cérébraux dérivés de la PSC, les FeBO ne sont pas capables de progresser naturellement vers des stades ultérieurs de développement, permettant ainsi aux chercheurs de générer des lignées organoïdes FeBO reproductibles avec une hétérogénéité cellulaire robuste qui peuvent être sélectivement mûries pour des études spécifiques.
