Les organoïdes cérébraux fournissent un nouvel aperçu du rôle de l’enzyme clé dans le développement naturel du cerveau

Comme beaucoup dans le monde, le laboratoire du professeur Mriganka Sur de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire du MIT a adopté la jeune technologie des organoïdes cérébraux, ou «minibrains», pour étudier le développement du cerveau humain dans la santé et la maladie. En faisant une découverte surprenante sur une pratique courante dans le processus de croissance des cultures de tissus complexes, le laboratoire a produit à la fois de nouvelles directives qui peuvent améliorer la technologie, ainsi que de nouvelles connaissances sur les rôles importants qu’une enzyme prédominante joue dans le développement naturel du cerveau.

Pour fabriquer des organoïdes, les scientifiques prélèvent des cellules cutanées d’un donneur, les incitent à devenir des cellules souches, puis les cultivent dans un bioréacteur, guidant leur développement avec l’ajout de facteurs de croissance et d’autres produits chimiques. Au fil des semaines, les cellules souches deviennent des cellules progénitrices qui se multiplient et deviennent ensuite, ou se «différencient», en neurones ou en d’autres types de cellules cérébrales. En cours de route, les cellules migrent également dans la goutte en croissance pour prendre leur place en formant des structures et des circuits cérébraux de base.

Une beauté des organoïdes, par conséquent, est que, à mesure que les cellules de la culture se développent et se développent ensemble, elles simulent de nombreux processus de base qui se produisent lorsque de vrais cerveaux prennent forme. Lorsque les donneurs de cellules ont des gènes qui causent la maladie, l’organoïde issu de leurs cellules reproduit les caractéristiques sous-jacentes de la maladie. Le laboratoire Sur utilise des organoïdes pour étudier le développement anormal du cerveau dans le syndrome de Rett, une maladie dévastatrice de type autisme avec un fondement génétique.

Une pratique courante parmi les laboratoires de culture d’organoïdes consiste à améliorer la viabilité des cellules en ajoutant une petite molécule chimique appelée CHIR 99021 pour inhiber l’activité d’une enzyme naturelle omniprésente appelée GSK3-beta. Dans la nouvelle étude en PLOS ONE L’équipe dirigée par la Picower Fellow Chloé Delépine, a confirmé que si différentes doses de CHIR 99021 peuvent effectivement maintenir les cellules en vie, elles ont des effets opposés sur la croissance organoïde – de faibles doses favorisent la croissance mais des doses élevées la contraignent et des doses très élevées l’arrêteront complètement. Cette information à elle seule a des implications évidentes pour les laboratoires utilisant différentes doses de CHIR 99021, mais comme l’équipe de Delépine a étudié comment ces effets de croissance se produisent, elle aide également à clarifier ce que l’activité de GSK3-bêta affecte pendant le développement cérébral.

C’est une question importante. D’autres groupes de recherche, par exemple, ont montré que des perturbations dans une voie de signalisation impliquant GSK3-bêta dans le cerveau sont associées à la schizophrénie et à l’autisme. Les nouvelles découvertes modélisent comment les différents niveaux d’inhibition peuvent affecter le développement.

Il ne s’agit pas seulement d’augmenter la viabilité des cellules, cela change également d’autres processus cellulaires tels que la division, la différenciation et la migration. Notre idée était de tester les effets de différentes doses et de mieux comprendre ces mécanismes que nous avons observés. « 

Chloé Delépine, boursière Picower

Huit organoïdes sont présentés dans trois colonnes. Ils apparaissent comme des taches blanches de forme irrégulière. Un marqueur d’échelle suggère qu’ils ont une largeur d’environ 3 mm.

Les organoïdes ont montré différents degrés de croissance en fonction de la dose de CHIR 99021. Les contrôles sont sur la gauche. Ceux du milieu ont reçu une faible dose. Ceux de droite ont reçu une dose élevée.

Différentes doses, effets opposés

Pour mener l’étude, l’équipe de Delépine a cultivé des organoïdes et, du 15ème au 35ème jour de leur développement, les a traités avec des doses soit d’un contrôle inerte, soit de 1, 10 ou 50 micromolaires de CHIR 99021. Ils ont ensuite suivi diverses propriétés des cellules par coloration. pour différents marqueurs moléculaires de ces propriétés.

Tout de suite, elle a remarqué des différences majeures de taille organoïde en fonction de la dose reçue. Les organoïdes à faible dose (1 micromolaire) étaient 1,6 fois plus gros que les témoins, mais les organoïdes à dose élevée (10 micromolaires) étaient 1,8 fois plus petits et les organoïdes à très forte dose (50 micromolaires) ont tout simplement cessé de croître au début du traitement.

Les différences de croissance n’étaient pas dues à la mort cellulaire. Comme prévu, étant donné que les laboratoires utilisent CHIR 99021 pour améliorer la survie des cellules, l’ajout de CHIR 99021 a amélioré la viabilité cellulaire et l’effet était plus fort pour les traitements à forte dose que pour les traitements à faible dose. Mais lorsque le laboratoire a recherché des marqueurs de prolifération ou de division cellulaire, ils ont constaté que les organoïdes à forte dose présentaient moins tandis que les organoïdes à faible dose en présentaient plus que les témoins.

Lorsque l’équipe a examiné une autre activité cellulaire susceptible d’affecter la croissance, elle a découvert un schéma similaire. Dans les organoïdes à forte dose, moins de cellules différenciées en cellules progénitrices neurales nécessaires pour produire de nouveaux neurones, tandis que dans les organoïdes à faible dose, la prolifération a augmenté. En conséquence, les organoïdes à forte dose avaient moins de neurones.

De plus, la faible dose de CHIR 99021 a entraîné plus de migration des neurones nouveau-nés vers les endroits nécessaires au développement structurel de l’organoïde que le traitement témoin, ce qui suggère qu’une légère inhibition de GSK3 bêta contribue à une migration accrue.

Delépine a noté que les effets favorisant la croissance des faibles doses ou les effets limitant la croissance des doses élevées ne sont ni «bons» ni «mauvais». Ce ne sont que des niveaux de contrôle de la culture. La nouvelle étude fournit plus d’informations sur la façon d’utiliser CHIR 99021 pour atteindre l’objectif souhaité.

«Cela dépend vraiment du but de la recherche sur les organoïdes que vous faites», a-t-elle déclaré. « Selon ce que vous voulez, différentes doses de cette molécule peuvent vous aider à obtenir un phénotype différent. »

Et dans les cerveaux naturels, l’étude suggère que la GSK3-bêta joue probablement un rôle clé dans la prolifération des cellules progénitrices, leur différenciation en cellules cérébrales matures et la propension de ces cellules à migrer.