Dans une étude récente publiée dans Cellule soucheles chercheurs ont produit des tissus cérébraux humains bio-imprimés en trois dimensions (3D), permettant la création de réseaux neuronaux fonctionnels capables de simuler l’activité du réseau dans des situations normales et pathologiques.
Sommaire
Arrière-plan
Comprendre les réseaux neuronaux du cerveau humain est essentiel pour comprendre la santé et les maladies du cerveau. Cependant, les modèles animaux ne peuvent pas reproduire efficacement le traitement des données de haut niveau du cerveau humain en raison des variations dans la composition cellulaire, des réseaux neuronaux et de l’intégration synaptique. La bio-impression 3D fournit une méthode plus précise pour créer des tissus cérébraux humains en repositionnant physiquement les hydrogels et les cellules vivantes à l’intérieur d’une cytoarchitecture physiologiquement compliquée. Cependant, la bio-impression des tissus mous, comme le cerveau, est préoccupante dans la mesure où les biomatériaux mous ne peuvent pas supporter des architectures 3D complexes ou des gels rigides.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont développé une plateforme de bio-impression 3D pour fabriquer des tissus avec des types de cellules cérébrales humaines définies dans n’importe quelle dimension souhaitée.
L’équipe visait à construire des tissus neuronaux en couches, y compris des cellules progénitrices neurales (NPC) qui génèrent des connexions à l’intérieur et entre les couches du cerveau, maintenant ainsi la structure intacte. Ils ont créé un bioink pour l’impression. Ils ont utilisé du gel de fibrine pour imprimer les tissus. Les méthodes de bio-impression comprennent des techniques basées sur l’extrusion, le laser et les gouttelettes. La technique de bio-impression tridimensionnelle par extrusion a déposé du gel en couches pour simuler les structures cérébrales telles que les stratifications du cortex humain.
Les chercheurs ont sélectionné une épaisseur de 50 mm pour chaque couche et ont construit des tissus multicouches en plaçant les couches horizontalement, adjacentes les unes aux autres. Ils ont conçu des tissus cérébraux imprimés en 3D pour qu’ils soient relativement fins mais fonctionnels et multicouches, avec des compositions cellulaires établies et des dimensions souhaitables, et faciles à entretenir et à tester dans un laboratoire standard.
Les chercheurs ont déterminé que 2,50 mg par ml de fibrinogène et 0,50 à 1,0 U de thrombine constituaient des concentrations optimales pour la formation d’hydrogel, entraînant une durée de gélification de 145 secondes, ce qui permettait l’impression de plaques à 24 puits. Après six heures, la plupart (85 %) des cellules étaient viables et ont survécu pendant sept jours. L’équipe a créé des progéniteurs d’acide gamma-aminobutyrique (GABA) et corticaux (glutamate) dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale (MGE) à partir de protéines exprimant une protéine fluorescente verte (GFP).+) et GFP– cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) pour déterminer si les interneurones GABAergiques et les neurones glutamatergiques forment des connexions synaptiques lorsqu’ils sont insérés dans des tissus imprimés. Avant l’impression, ils ont combiné les deux populations progénitrices dans un rapport de 1:4 pour correspondre au rapport entre les interneurones et les neurones de projection corticale dans le cortex cérébral.
Les chercheurs ont enregistré des données électrophysiologiques à partir de tissus imprimés avec des progéniteurs corticaux glutamatergiques GFP+, des progéniteurs MGE GABAergiques non colorés et des progéniteurs d’astrocytes dérivés de hPSC incorporés dans les neurones glutamate et les interneurones GABA. Le tissu imprimé a été immunocoloré avec un marqueur axonal, SMI312. Ils ont étudié la maladie d’Alexander (AxD), une maladie neurodégénérative provoquée par des anomalies du gène GFAP, afin d’étudier les mécanismes pathogènes. Ils ont utilisé l’imagerie en direct de l’absorption du glutamate par des rapporteurs fluorescents sensibles au glutamate (iGluSnFR) pour étudier les interactions neurones-astrocytes et les connexions neurones-gliales dans AxD.
Résultats
Les progéniteurs neuronaux imprimés se sont développés en neurones en quelques semaines, formant des réseaux neuronaux fonctionnels à l’intérieur et à travers les couches tissulaires. Les progéniteurs d’astrocytes imprimés se sont transformés en astrocytes avec des processus complexes pour fonctionner dans les réseaux neurones-astrocytaires. Les techniques de culture conventionnelles pourraient conserver les tissus cérébraux 3D, ce qui faciliterait leur étude dans des contextes physiologiques et pathologiques. La viabilité cellulaire a diminué avec l’augmentation des concentrations de thrombine à des concentrations de fibrinogène de 2,50 mg/mL, mais est restée inchangée à une concentration constante de 0,50 U de fibrinogène et les cellules se sont agrégées à des niveaux de fibrinogène accrus.
Les cellules neuronales bio-imprimées ont mûri et ont conservé la forme tissulaire, les cellules exprimant la GFP dans une bande se transformant en neurones de la protéine 2 associée aux microtubules (MAP2+) une semaine après l’impression. Le tissu imprimé a conservé une configuration stable dans laquelle les progéniteurs neuronaux se sont multipliés et ont construit des réseaux neuronaux. Les sous-types neuronaux ont établi des réseaux fonctionnels au sein des tissus bio-imprimés, avec des cellules MGE dérivées de hPSC exprimant NK2 homeobox 1 (NKX2.1) et GABA et des progéniteurs corticaux positifs pour forkhead-box G1 (FOXG1) et appariés box 6 (PAX6). Les constructions de tissus neuronaux bio-imprimés favorisent la croissance des neurones glutamatergiques corticaux et des interneurones GABAergiques.
Les chercheurs ont utilisé une solution de chlorure de potassium à haute concentration pour imprimer des tissus contenant des neurones et des astrocytes, démontrant ainsi les connexions fonctionnelles. Les astrocytes expriment le transporteur de glutamate 1 (GLT-1), indiquant une maturation. Les bandes neuronales corticales et striatales imprimées sont restées intactes 15 jours après l’impression, et les neurites GFP et mCherry se sont développés l’un vers l’autre. Les tissus cérébraux humains imprimés pourraient reproduire des processus pathologiques, les astrocytes AxD présentant une agrégation intracellulaire de GFAP. Au bout de 30 jours, les neurones MAP2+ et les astrocytes GFAP+ présentaient une morphologie et une expression de synapsine complexes.
Conclusion
Dans l’ensemble, les résultats de l’étude ont démontré la capacité de l’impression 3D à générer des tissus cérébraux fonctionnels pour simuler l’activité du réseau dans des contextes normaux et pathologiques. Les tissus créés par bioink établissent des connexions synaptiques fonctionnelles entre les sous-types neuronaux et les réseaux neurones-astrocytaires en deux à cinq semaines. La plateforme 3D fournit un environnement défini pour étudier les réseaux cérébraux humains dans des contextes sains et pathologiques ; il présente cependant des limites, comme la douceur du gel et l’épaisseur de 50 mm des tissus imprimés.
