La découverte du cerveau de grenouille pourrait ouvrir la voie à la réparation des malformations congénitales chez l'homme

Une nouvelle étude sur le cerveau de grenouille pourrait conduire à des moyens innovants de réparer les handicaps congénitaux chez l'homme.

Une équipe de chercheurs de l'Université Tufts, de l'Université de Valence et de l'Université Harvard a découvert que le cerveau des embryons de grenouilles en développement endommagés par l'exposition à la nicotine peut être réparé en utilisant des «ionoceutiques» qui peuvent aider à la récupération des modèles bioélectriques dans l'embryon.

L'étude, qui a été publiée dans la revue Frontiers of Cellular Neuroscience, met en évidence la possibilité de stratégies de traitement basées sur la restauration du plan bioélectrique ou de la carte pour le développement embryonnaire. L'étude pourrait ouvrir la voie à l'élaboration de médicaments et de thérapies pour aider à réparer les malformations congénitales à l'avenir.

Les défauts induits par la nicotine dans le cerveau de l'embryon de grenouille (au centre) peuvent être sauvés en transplantant un patch exprimant HCN2 sur l'embryon loin du cerveau. On observe que les embryons traités ont une morphologie et une fonction cérébrales normales (à droite). La vue de la tête d'embryon normale est montrée à gauche. Des résultats similaires sont observés lorsque des embryons exposés à la nicotine sont traités avec des médicaments ionoceutiques. (FB = cerveau antérieur; MB = cerveau moyen; HB = cerveau postérieur) Crédit d'image: Vaibhav Pai, Tufts University

Quels sont les modèles bioélectriques?

Les signaux bioélectriques entre les cellules contrôlent et guident le développement du cerveau embryonnaire. Des études antérieures ont montré que la manipulation de ces signaux peut réparer des défauts génétiques et induire le développement de tissus cérébraux sains.

Dans une étude publiée dans le Journal of Neuroscience en 2015, les mêmes scientifiques ont révélé que la signalisation bioélectrique contrôle l'activité de deux facteurs de reprogrammation cellulaire, qu'ils ont testés sur des embryons de grenouille africaine à griffes.

L'équipe a découvert que les cellules communiquent même sur de longues distances dans l'embryon en utilisant des signaux bioélectriques. Les cellules utilisent ces données pour savoir où former un cerveau et quelle doit être la taille du cerveau.

Les résultats de leur étude actuelle étaient basés sur leurs recherches antérieures sur les signaux bioélectriques.

Effets de la nicotine sur le cerveau

Maintenant, l'équipe a cherché à voir comment les signaux bioélectriques peuvent aider à réparer le cerveau endommagé par la nicotine.

La nicotine est un alcaloïde parasympathomimétique stimulant et puissant qui est naturellement produit dans la famille des plantes de la morelle. La nicotine crée une forte dépendance. C'est l'une des drogues les plus consommées. L'utilisation thérapeutique principale de la nicotine consiste à traiter la dépendance à la nicotine pour éliminer le tabagisme.

Des études antérieures ont montré que la nicotine peut perturber les schémas électriques normaux dans le cerveau d'un embryon en croissance. Il a été constaté qu'il peut réduire le contraste du plan bioélectrique, qui est une carte des différents niveaux de tension autour des cellules. Cette carte aide et guide le schéma et la croissance des organes et des tissus.

La nicotine chez l'homme a été liée à divers effets sur la santé, y compris la mort fœtale intra-utérine, le trouble d'hypersensibilité avec déficit de l'attention (TDAH), la mort subite du nourrisson et d'autres déficits des fonctions cognitives. Il peut également affecter la mémoire et les capacités d'apprentissage du nourrisson.

Conclusions de l'étude

Dans l'étude, les chercheurs ont appliqué de la nicotine au développement d'embryons de grenouilles pour générer des défauts neuronaux. Ils veulent déterminer les interventions spécifiques qui peuvent inverser les effets nocifs du produit chimique. Dans l'étude précédente, l'équipe a identifié un élément spécifique de la signalisation électrique naturelle qui contrôle le développement du cerveau – le canal 2 déclenché par les nucléotides cycliques activé par l'hyperpolarisation (HCN2), qui a pu restaurer les modèles bioélectriques.

En 2015, l'équipe a tenté de réparer les défauts en utilisant une forme de thérapie génique qui modifie l'expression de HCN2. Cependant, dans la présente étude, aucun gène n'a été utilisé. Au lieu de cela, l'équipe a découvert que les mêmes effets peuvent être obtenus en utilisant des médicaments à petites molécules pour stimuler les canaux HCN2 qui sont déjà présents à l'intérieur de l'embryon. Ensuite, l'équipe a démontré qu'elle peut réinitialiser les informations de modélisation électrique qui supervisent le développement du cerveau à partir d'un emplacement éloigné sur l'embryon.

Michael Levin, l'auteur de l'étude et professeur de biologie Vannevar Bush à l'Université Tufts, a déclaré que l'étude était une percée dans la prévention des malformations du tube neural et des malformations congénitales chez les embryons. De plus, il a ajouté que lorsque l'équipe a stimulé l'expression de HCN2 à distance du cerveau, comme dans les régions non neurales, ils étaient toujours en mesure de prévenir ou de réparer les défauts du cerveau.

«Les instructions pour construire un animal adulte, comprenant des organes aussi complexes que le cerveau, sont réparties entre toutes les cellules de l'embryon. Ces résultats suggèrent que nous pourrions ne pas avoir à cibler directement la région endommagée, et nous pouvons utiliser des médicaments au lieu de la manipulation génétique, ce qui ouvre de nombreuses possibilités de déploiement biomédical », a ajouté Levin.

Médicaments thérapeutiques qui ont activé HCN2

Les résultats de l'étude ont conduit les scientifiques à penser qu'il pourrait y avoir un médicament qui a activé le HCN2. Ils peuvent utiliser le médicament pour prévenir les défauts de l'embryon.

À l'heure actuelle, deux médicaments peuvent activer HCN2 – la gabapentine et la lamotrigine. Ils sont déjà approuvés par la FDA et sont sûrs à utiliser.

Pour tester leur hypothèse, l'équipe a exposé les embryons à la nicotine et les a traités avec des médicaments aux différents stades du développement embryonnaire.

L'équipe a découvert que 68% des têtards qui n'étaient pas traités avec des médicaments avaient des anomalies cérébrales. D'un autre côté, les embryons traités avec l'un ou l'autre des médicaments présentaient une réduction des anomalies cérébrales. Environ seulement 10 pour cent des grenouilles traitées avec de la lamotrigine et 16 pour cent de celles traitées avec de la gabapentine avaient des anomalies cérébrales.

«Nos résultats et notre modèle quantitatif identifient un puissant mécanisme de contrôle morphogénétique qui pourrait être ciblé par la future médecine régénérative exploitant des médicaments modulateurs des canaux ioniques approuvés pour un usage humain», a conclu l'équipe dans l'étude.