Les organoïdes neuraux ont été présentés comme ayant un énorme potentiel pour faire progresser nos connaissances sur le cerveau dans plusieurs domaines. Il s’agit notamment d’explorer les réponses du tissu cérébral aux médicaments, d’étudier l’effet de mutations génétiques spécifiques sur l’activité électrique neuronale et de caractériser le développement des systèmes neuronaux.
Dans le passé, la viabilité de ces systèmes a été limitée par leur évolutivité, leur reproductibilité et leur longévité. De nouvelles recherches du King's College de Londres ont réussi à étendre l'approche organoïde ; fournir un nouveau système où les effets des médicaments, des mutations génétiques et du développement peuvent être testés à un débit plus élevé et sur des périodes de temps beaucoup plus longues.
Les études génomiques et pharmacologiques fonctionnelles du développement neurologique dépendent souvent de mesures fiables de la fonction neuronale, et pas seulement de l’identité cellulaire. Notre approche permet de suivre l'activité du réseau neuronal au fil du temps et nous permettra, ainsi qu'à d'autres, de comparer directement les effets des médicaments ou des variantes génétiques à travers de nombreuses cultures parallèles.
Professeur Deepak Srivastava, professeur de neurosciences moléculaires, King's College de Londres
Sommaire
Défis actuels de la recherche sur les organoïdes
Les réseaux de neurones développés en laboratoire peuvent être en 2D ou en 3D et tous deux présentent des avantages et des inconvénients. Les organoïdes neuronaux 3D traditionnels sont très variables et sont constitués de nombreux types de cellules différents qui rendent chaque organoïde légèrement différent. Bien que la variété des types de neurones soit considérée comme le signe d’un organoïde sain, cela peut présenter des problèmes de reproductibilité, ce qui est particulièrement important lors du test de médicaments ou lorsque l’on tente de comprendre la fonction d’un gène spécifique.
De plus, il est difficile d’enregistrer l’activité électrique des organoïdes 3D car leur structure signifie que les chercheurs ne peuvent généralement enregistrer qu’à partir de la surface de l’organoïde, ou seulement à partir d’un neurone à la fois s’ils souhaitent approfondir le tissu.
D’autres groupes ont cultivé des neurones en laboratoire en 2D, permettant aux chercheurs d’enregistrer l’activité électrique de nombreux neurones au fil du temps. Cependant, ces réseaux 2D n’ont pas la diversité des types de neurones et des cellules de soutien observées dans les organoïdes 3D et les vrais cerveaux.
Le meilleur des deux mondes : créer des organoïdes 3D en 2D pour réduire la variabilité
Le Dr Adam Pavlinek, le professeur Anthony Vernon, le professeur Deepak Srivastava et leurs collègues voulaient conserver la diversité des neurones présents dans les organoïdes 3D, tout en bénéficiant des avantages des approches 2D, à savoir la capacité d'enregistrer les changements d'activité au fil du temps et de tester des médicaments et d'autres manipulations à grande échelle.
Pour ce faire, les chercheurs ont d’abord cultivé des organoïdes en laboratoire, puis les ont décomposés en cellules individuelles selon un processus appelé dissociation. Cela a donné aux chercheurs de nombreux types différents de neurones en développement qu’ils pouvaient développer sur une plaque 2D. Ils ont ensuite mélangé des cellules de différents organoïdes pour rendre le mélange cellulaire moins variable. Cela a abouti à la création de plusieurs réseaux de neurones côte à côte sur une même plaque, tous provenant d’origines similaires. La mise en commun des cellules de nombreux organoïdes a réduit la variabilité en faisant la moyenne de la variation entre les organoïdes d'origine.
Pour s'assurer qu'ils pourraient enregistrer l'activité électrique des neurones, les chercheurs ont laissé les neurones dissociés se développer sur une plaque recouverte d'électrodes, appelée réseau de microélectrodes.
Enregistrement sur plusieurs jours
Sur le réseau de microélectrodes, les chercheurs ont pu observer les neurones développer des réseaux pendant plusieurs jours et enregistrer leur activité électrique tout au long. En deux dimensions, les chercheurs pourraient surveiller le développement des neurones beaucoup plus longtemps qu’avec des organoïdes 3D. Ils ont vu les neurones passer d’une activité électrique asynchrone, couramment observée dans les cerveaux en développement, à une activation synchronisée à mesure que les cellules mûrissaient et que les connexions entre elles se formaient.
Séparer les sources de variation
L’approche adoptée a également permis aux chercheurs de séparer les effets de la variabilité technique de ceux de la variabilité biologique. Ils pourraient avoir de nombreuses versions des mêmes types de cellules provenant des mêmes organoïdes neuraux plaqués les uns à côté des autres et voir si les neurones développaient des connexions similaires et s'ils répondaient de la même manière aux médicaments.
Les neurones dans les organoïdes ont une capacité remarquable de s'auto-assembler en réseaux, nous pensons que l'équilibre des types de cellules neuronales dans ces réseaux peut affecter leur activité électrique et peut être à l'origine des différences que nous voyons entre les réseaux.
Dr Adam Pavlinek, premier auteur
