Les cellules clés du cerveau, des neurones, des réseaux forment en échangeant des signaux, permettant au cerveau d'apprendre et de s'adapter à une vitesse incroyable. Les chercheurs de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas (TU Delft) ont développé un «environnement cérébral» imprimé en 3D où les neurones se développent de manière similaire à un vrai cerveau. En utilisant de minuscules nanopillars, ils imitent le tissu neural doux et les fibres matricielles extracellulaires du cerveau. Ce modèle fournit de nouvelles connaissances sur la façon dont les neurones forment les réseaux, ainsi qu'un nouvel outil pour comprendre à l'avenir comment ce processus peut changer dans les troubles neurologiques tels que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et les troubles du spectre autistique.
Les neurones, comme de nombreuses cellules du corps, répondent à la rigidité et à la géométrie de leur environnement. Les boîtes de Pétri traditionnelles sont plates et rigides, contrairement à l'environnement matriciel extra-cellulaire doux et fibreux du cerveau. Pour ressembler aux propriétés géométriques et mécaniques de cet environnement, l'équipe du professeur agrégé Angelo Accardo a conçu des tableaux nanopillaires en utilisant une polymérisation à deux photons, une technique d'impression en 3D assistée par laser avec précision nanométrique.
Ces piliers, chacun de mille fois plus minces que les cheveux humains, sont disposés comme de minuscules forêts sur une surface. En modifiant la largeur et la hauteur, ou le rapport d'aspect des piliers, les chercheurs ont réglé leur module de cisaillement efficace, une propriété mécanique détectée par les cellules lorsqu'ils rampent sur les tableaux de micro- ou de nano-structures. « Cela trompe les neurones en » pensant « qu'ils sont dans un environnement doux et cérébral, même si le matériau des nanopillars lui-même est raide. Tout en se pliant sous la rampe de neurones, les nanopillars simulent non seulement la douceur des tissus cérébraux mais Fournissez également une structure nanométrique 3D sur laquelle les neurones peuvent saisir, un peu comme les nano-fibres de matrice extra-cellulaire dans de vrais tissus cérébraux « , explique Accardo. Cela influence comment les neurones se développent et se connectent les uns aux autres.
De la croissance aléatoire aux réseaux ordonnés
Pour tester le modèle, les chercheurs ont cultivé trois types différents de cellules neuronales, dérivées soit du tissu cérébral de souris, soit des cellules souches humaines, sur les nanopillars. Dans les boîtes de Pétri plates traditionnelles et les biomatériaux 2D, les neurones ont augmenté dans des directions aléatoires. Mais sur les réseaux nanopillaires imprimés en 3D, les trois types de cellules ont augmenté dans des modèles plus organisés, formant des réseaux à des angles spécifiques.
L'étude, publiée dans Advanced Functional Materials et présentée sur sa couverture, a également révélé de nouvelles perspectives sur les cônes de croissance neuronaux. Accardo: « Ces structures en forme de main guident les pointes des neurones en croissance alors qu'ils recherchent de nouvelles connexions. Sur les surfaces plates, les cônes de croissance se sont répandus et restent relativement plats. Mais sur les réseaux nanopillaires, les cônes de croissance envoyés longs, doigt- Comme les projections, explorant leur environnement dans toutes les directions – pas seulement le long d'un plan plat mais aussi dans l'espace 3D, ressemblant à ce qui se passe dans un véritable environnement cérébral. »
De plus, nous avons constaté que l'environnement créé par les nanopillars semblait également encourager les neurones à mûrir. «
George Flamourakis, premier auteur de l'étude
Les cellules progénitrices neurales cultivées sur les piliers ont montré des niveaux plus élevés d'un marqueur de neurones matures, par rapport à ceux cultivés sur des surfaces plates. « Cela montre que le système influence non seulement la direction de la croissance mais favorise également la maturation neuronale. »
Un outil pour étudier les troubles du cerveau
Cependant, si la douceur est si importante, pourquoi ne pas simplement cultiver des neurones sur des matériaux mous comme les gels? « Le problème est que les matrices de gel, comme le collagène ou le matrigel, souffrent généralement de variabilité de lot à lot et ne comportent pas de caractéristiques géométriques conçues par ration caractéristiques, et maintient une reproductibilité extrêmement élevée grâce à la résolution de la polymérisation à deux photons « , explique Accardo.
En reproduisant mieux comment les neurones se développent et se connectent, le modèle développé pourrait offrir de nouvelles informations sur les différences entre les réseaux cérébraux sains et ceux associés à des troubles neurologiques, tels que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et les troubles du spectre de l'autisme.
