En créant un espace pour le tissu cortical d’origine humaine chez des souris vivantes, les chercheurs ont testé dans quelle mesure les organoïdes pouvaient se développer, se connecter au système nerveux, générer une activité neuronale et réagir aux blessures.
Tissu organoïde. Crédit d’image : Juan Gaertner /Shutterstock. Étude : Xénocortication développementale utilisant des organoïdes d’origine humaine chez la souris
Dans une étude récente publiée dans la revue Natureles chercheurs ont créé un xénocortical (XCX) modèle de souris dans lequel les organoïdes corticaux d’origine humaine occupaient la majeure partie de l’espace normalement rempli par le cortex de la souris. Les greffons ont développé divers types de cellules corticales humaines, connectées au système nerveux de l’hôte, généré une activité neuronale organisée et produit des réponses mesurables aux lésions hypoxiques.
Sommaire
Arrière-plan
Le tissu cérébral humain est difficile à étudier au cours du développement, ce qui incite les chercheurs à utiliser des organoïdes corticaux dérivés de cellules souches comme modèles expérimentaux. Ces tissus tridimensionnels peuvent reproduire des aspects de la neurogenèse et de la gliogenèse corticales, mais les organoïdes cultivés dans des plats de laboratoire ne peuvent pas capturer la manière dont les cellules neurales humaines interagissent avec un système nerveux vivant ou influencent le comportement.
La transplantation d’organoïdes corticaux humains chez des rongeurs offre un moyen d’étudier ces processus in vivo. Cependant, les approches existantes laissent le cortex hôte intact, limitant l’espace disponible pour la croissance du greffon et créant une compétition entre les circuits neuronaux de l’homme et du rongeur.
Les chercheurs ont donc cherché à créer un modèle de souris avec beaucoup plus d’espace cortical disponible pour les tissus d’origine humaine tout en conservant la capacité de mesurer l’activité neuronale, la connectivité, le comportement et les réponses aux blessures.
À propos de l’étude
Les chercheurs ont généré des souris apalles immunodéficientes en supprimant conditionnellement le facteur de cohésion des chromatides sœurs Esco2 dans les cellules exprimant le marqueur pallium dorsal et médial Emx1 sur un déficit immunitaire combiné sévère (SCID) arrière-plan. Cette stratégie génétique a épuisé une grande partie du néocortex et de l’hippocampe de la souris.
Tige pluripotente induite par l’homme (les hanches) les cellules ont été différenciées en organoïdes corticaux. Quatre organoïdes, âgés de 30 à 60 jours, ont été transplantés chez des souris apalliales âgées de 5 à 17 jours.
L’équipe a suivi la croissance et l’organisation du greffon à l’aide de l’imagerie cérébrale, du profilage moléculaire, du traçage neuronal, de la transcriptomique spatiale, de l’imagerie calcique et des enregistrements électrophysiologiques. Les tests comportementaux ont évalué la locomotion, la démarche, le comportement spontané, les performances liées à la mémoire, les préférences sociales et les réponses sensorielles.
Les chercheurs ont également exposé des souris à une hypoxie sévère pour déterminer si les greffons humains produisaient des réponses cellulaires et comportementales mesurables aux blessures.
Résultats de l’étude
La stratégie génétique a nettement épuisé le pallium dorsal et médial. Imagerie par résonance magnétique (IRM) ont montré environ 50 % de tissu cérébral en moins chez les souris apaliales que chez les témoins.
Séquençage de l’acide ribonucléique mononucléaire (snRNA-seq) a généré 880 149 profils et a montré une déplétion par sept des classes neuronales glutamatergiques dérivées du pallial dorsal, avec des pertes importantes parmi les sous-classes glutamatergiques néocorticales et hippocampiques. Les populations palléales glutamatergiques ventrales et latérales étaient comparativement préservées.
Les greffons humains se sont largement développés après la transplantation. Parmi 29 souris recevant des organoïdes provenant de trois lignées cellulaires hiPS, la survie du greffon était de 86,2 %. L’IRM a montré une augmentation de 4,7 fois du volume du greffon entre 2 et 3 mois après la transplantation. À 3 mois, les tissus d’origine humaine représentaient 91,9 % du volume combiné des tissus corticaux.
Le traçage neuronal a identifié des voies organisées d’origine humaine et des entrées de l’hôte provenant de régions telles que le paléocortex, le thalamus et le pallidum. L’imagerie pondérée en diffusion indiquait une organisation principalement dorsoventrale de la microstructure tissulaire, tandis que de rares projections d’origine humaine s’étendaient dans la moelle épinière cervicale.
Les greffons contenaient également la couche 5 extratélencéphalique (L5-ET) les neurones glutamatergiques, une population de neurones de projection rarement générée dans les organoïdes corticaux cultivés en laboratoire. Leur proportion était plus de trois fois supérieure à celle rapportée dans les approches de transplantation précédentes.
Neurone von Economo (VENDes cellules de type ) ont été identifiées chez les trois souris XCX échantillonnées. Les chercheurs ont décrit ces cellules comme étant de type VEN sur la base de leur morphologie plutôt que de confirmer qu’il s’agissait de neurones de von Economo pleinement matures.
L’imagerie calcique a montré de grandes poussées synchrones d’activité neuronale durant des dizaines de secondes et se reproduisant toutes les quelques minutes. Les événements individuels ont commencé localement et se sont propagés à travers le greffon en 100 millisecondes environ. Les enregistrements locaux du potentiel de champ ont confirmé des sursauts cohérents à l’échelle du réseau, tandis que l’activité du calcium était corrélée au mouvement oro-facial.
Malgré un épuisement important du cortex natif, les souris témoins, apalliales et XCX ont montré une locomotion globalement similaire. Le séquençage des mouvements a indiqué que l’épuisement cortical modifiait l’organisation d’ordre supérieur du comportement spontané, tandis que la transplantation modifiait ce modèle de comportement sans le restaurer à l’état de contrôle.
Les souris apaliales et XCX ont montré des changements dans la coordination des pattes. Dans le labyrinthe en Y, les souris témoins et XCX ont obtenu des résultats supérieurs au hasard, contrairement aux souris apaliales. Cette découverte n’a pas permis d’établir que la greffe humaine a restauré la mémoire de travail.
Les souris Apallial et XCX ont également montré une réduction du gel lors du conditionnement des traces aversives et des tests contextuels. Les préférences en matière de sociabilité ne différaient pas entre les groupes, bien que les souris apaliales aient globalement moins étudié et qu’aucun des groupes ne préférait une nouvelle souris à une souris familière. La sensibilité mécanique et thermique était similaire dans tous les groupes.
Les chercheurs ont ensuite testé si la xénocortication pouvait apporter des réponses mesurables aux lésions cérébrales. Suite à une réduction progressive de l’oxygène atmosphérique, les souris ont été exposées à 5 % d’oxygène pendant 5 heures.
Facteur 1 alpha inductible par l’hypoxie (HIF1α) a été détecté de manière visible dans le greffon humain immédiatement après l’exposition, mais n’était pas appréciable dans le paléocortex de souris adjacent ou dans les souris témoins exposées de manière similaire. L’imagerie pondérée en fonction de la sensibilité a détecté plus tard une augmentation du système vasculaire hypointense chez les souris XCX blessées.
Au sein du greffon, la densité et la complexité microgliales et astrogliales ont augmenté après l’hypoxie. Les souris XCX ont également montré la plus forte augmentation du soutien de trois à quatre pattes lors des tests de marche CatWalk, sans changements correspondants dans la vitesse de course ou la cadence des pas.
Conclusions
L’étude a établi la xénocortication comme une plate-forme dans laquelle le tissu cortical d’origine humaine peut occuper la majeure partie de l’espace cortical créé par l’épuisement génétique chez la souris. Les greffons ont développé divers types de cellules corticales, formé des connexions anatomiques étendues avec le tissu hôte et généré une activité électrique spontanée organisée.
Les chercheurs ont averti que la connectivité anatomique ne démontre pas l’intégration fonctionnelle spécifique à une voie et qu’il reste difficile de savoir si les neurones dérivés du greffon sont nécessaires ou suffisants pour des comportements particuliers.
Les greffons sont également restés immatures sur le plan du développement, avec une stratification et une réalisation corticales incomplètes, une représentation limitée des interneurones GABAergiques, des propriétés de réseau immatures et un décalage de développement entre le greffon humain et l’hôte rongeur.
Les auteurs ont souligné la nécessité d’une surveillance éthique continue à mesure que les futurs modèles deviennent plus matures et organisés. Le présent travail a reçu l’approbation pour la recherche sur les animaux et les cellules souches et comprenait une consultation avec des bioéthiciens et un comité d’éthique indépendant.
Dans l’ensemble, la plate-forme fournit un moyen d’examiner le développement du tissu cortical humain au sein d’un système nerveux vivant et de relier les changements au niveau cellulaire et des circuits aux lectures comportementales.
