En utilisant des cellules souches pour développer des organes miniatures ressemblant à des cerveaux en laboratoire, les scientifiques ont ouvert une nouvelle voie pour les études sur le développement neurologique, les maladies et les thérapies qui ne peuvent pas être menées chez des personnes vivantes. Mais tous les organoïdes mini-cérébraux ne sont pas créés égaux et les amener à imiter précisément les tissus cérébraux humains qu’ils modélisent a été un défi persistant.
En ce moment, c’est comme le Far West parce qu’il n’y a pas de méthode standard pour générer des organoïdes mini-cérébraux. Chaque neuroscientifique veut créer un modèle organoïde cérébral de sa maladie préférée, et pourtant les organoïdes de tout le monde ne se ressemblent pas toujours. »
Bennett Novitch, membre du Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research à l’UCLA et auteur principal d’un nouvel article
En fait, parce qu’il n’y a pas de protocole commun pour leur production et un manque de directives de contrôle de la qualité, les organoïdes peuvent varier d’un laboratoire à l’autre – ; et même de lot en lot – ; ce qui signifie qu’une découverte faite dans un organoïde peut ne pas être vraie dans un autre.
« Si mon laboratoire et un autre laboratoire au bout du couloir procédaient à des criblages de médicaments à l’aide de modèles organoïdes de mini-cerveau du même trouble, nous pourrions toujours obtenir des résultats différents », a déclaré Momoko Watanabe, le premier auteur du nouvel article et professeur adjoint d’anatomie et neurobiologie à UC Irvine. « Nous ne saurons pas quelles conclusions sont correctes, car les différences que nous observons pourraient être le reflet de la différence de nos modèles plutôt que des reflets de la maladie. »
Dans leur nouvelle étude, publiée aujourd’hui dans Stem Cell Reports, Novitch, Watanabe et leurs collègues proposent des lignes directrices basées sur leurs recherches qui peuvent aider les scientifiques à surmonter deux obstacles majeurs qui entravent le plein potentiel de ces organoïdes : les différences d’uniformité et de structure.
Avoir des organoïdes qui recréent avec précision et cohérence la structure et la composition cellulaire de sections spécifiques du cerveau est particulièrement important pour étudier des troubles comme la schizophrénie et les troubles du spectre autistique dans lesquels les cerveaux des personnes affectées semblent souvent identiques aux cerveaux neurotypiques dans la structure mais présentent des différences marquées dans fonction.
« Nous ne serons jamais en mesure d’identifier les différences subtiles dans la structure et la fonction du cerveau – ; les choses qui sont pertinentes pour les patients souffrant de troubles neurologiques – ; si nos organoïdes ont un mauvais équilibre des types de cellules ou une structure grossièrement irrégulière », a déclaré Novitch, qui est également directeur du centre intégré de réparation neurale de l’UCLA Brain Research Institute.
Créer les meilleurs organoïdes : une question de maturité
Pour produire des organoïdes mini-cérébraux, qui peuvent aller de 1 à 5 millimètres de diamètre, les scientifiques prennent d’abord des cellules humaines de peau ou de sang et les reprogramment pour qu’elles deviennent des cellules souches pluripotentes induites – ; cellules qui peuvent se différencier en n’importe quel type de cellule dans le corps. Ils dirigent ensuite ces cellules iPS pour créer des cellules souches neurales, qui peuvent produire la plupart des types de cellules présentes dans le cerveau. Au fur et à mesure que les cellules souches neurales se forment, elles peuvent être amenées à s’agréger en organoïdes 3D. Assez simple. Mais pourquoi certains organoïdes ressemblent-ils mieux au cerveau humain que d’autres ?
Pour répondre à cette question, l’équipe a collaboré avec les experts en pluripotence Kathrin Plath et Amander Clark du UCLA Broad Stem Cell Research Center. Ils ont découvert que la maturité du développement des cellules souches à partir desquelles un organoïde est cultivé influence sa qualité, tout comme la fraîcheur des ingrédients influence la qualité d’un plat culinaire.
« Dans le développement embryonnaire humain, le système nerveux est l’une des premières structures à se former, il est donc logique que les cellules souches qui sont au début du développement soient les meilleures pour produire des organoïdes cérébraux », a déclaré Watanabe, qui est également membre de l’UCI Sue. & Centre de recherche sur les cellules souches Bill Gross.
Les chercheurs ont ensuite découvert que la meilleure façon de maintenir les cellules souches humaines dans un état de développement précoce adapté à la formation d’organoïdes était de les cultiver dans un plat avec des cellules de peau de souris, appelées nourrisseurs de fibroblastes, car ceux-ci fournissent des signaux chimiques essentiels et un support structurel qui aide les cellules souches à se développer et à préserver leur immaturité au fil du temps.
Malheureusement, ils ont également découvert que l’utilisation de cellules de souris pourrait rendre les organoïdes moins adaptés au développement de thérapies cellulaires pour remplacer les tissus neuronaux malades ou endommagés. De plus, ces méthodes soutenues par le chargeur sont plus laborieuses que les méthodes de croissance des cellules souches que de nombreux laboratoires utilisent couramment.
L’équipe s’est ensuite tournée vers le séquençage de l’ARN et l’analyse informatique pour tenter d’identifier les différences génétiques entre les cellules souches qui produisent de bons organoïdes et celles qui ne le font pas. Cela leur a permis d’identifier quatre molécules – ; appartenant tous à la superfamille des molécules du facteur de croissance transformant bêta – ; responsables du maintien des cellules souches dans un état moins développé.
L’ajout de ces quatre molécules à des cellules souches en croissance dans une boîte les a maintenues dans un état immature et a permis à ces cellules de produire des organoïdes de haute qualité et bien structurés.
« Nous avons trouvé un moyen d’avoir notre gâteau et de le manger aussi », a déclaré Novitch. « Nous avons retiré les cellules de souris de l’équation tout en conservant certains de leurs avantages pour la formation d’organoïdes, ce qui nous rapproche de nos objectifs d’étude et de développement de traitements pour les maladies neurologiques complexes. »
La recherche a été financée par le programme Ablon Scholars du Jonsson Comprehensive Cancer Center et du Broad Stem Cell Research Center de l’UCLA; bourses de recherche/formation des National Institutes of Health, du California Institute for Regenerative Medicine, de la Rose Hills Foundation et du Broad Stem Cell Research Center ; la Fondation commémorative Uehara; l’Institut de recherche sur le cerveau de l’UCLA ; et une bourse de chercheur du corps professoral du Howard Hughes Medical Institute.
