Un article de synthèse publié dans la revue Communications naturelles fournit un aperçu détaillé des développements récents dans les modèles de puces microfluidiques pour les maladies neurodégénératives.
Étude : Neuropathogenèse sur puces pour les maladies neurodégénératives. Crédit d'image : luchschenF/Shutterstock
Arrière-plan
Les progrès récents de la science médicale ont considérablement augmenté l'espérance de vie humaine, conduisant à un risque progressif de neuropathogenèse sur puces pour les maladies neurodégénératives. Neuropathogenèse sur puces pour les maladies neurodégénératives dans la population vieillissante à l'échelle mondiale. Cela s'accompagne d'une augmentation concomitante de la prévalence des maladies neurodégénératives liées à l'âge, notamment la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, la maladie de Huntington et la sclérose latérale amyotrophique.
Les maladies neurodégénératives affectent principalement les capacités cognitives et comportementales des personnes âgées. Avec l’accumulation de protéines dysfonctionnelles comme principal facteur déclencheur, ces maladies partagent certaines caractéristiques pathogènes communes, notamment la perte neuronale spécifique, la gliose, la neuroinflammation, le stress oxydatif, le dysfonctionnement mitochondrial et les lésions vasculaires précoces.
Malgré les progrès de la science médicale, le développement d’interventions diagnostiques et thérapeutiques pour les maladies neurodégénératives reste une tâche difficile en raison de la pathogenèse multifactorielle complexe qui progresse progressivement.
Les organes microfluidiques ou organoïdes sur puces ont fourni une opportunité unique de reproduire expérimentalement des éléments critiques de régions distinctes du cerveau associées aux maladies neurodégénératives. Ces systèmes miniaturisés peuvent être utilisés pour étudier la pathogenèse des maladies, le développement de médicaments, le dépistage de médicaments et à des fins de recherche biomédicale primaire.
Conception de puce microfluidique
La « chambre Campenot », une chambre compartimentée in vitro système, a été la première application d’une puce microfluidique pour la recherche sur le cerveau. Doté de deux chambres fluidiquement séparées, cet appareil est utilisé pour étudier les effets des facteurs de croissance nerveuse sur la croissance axonale. Plus tard, les scientifiques ont inventé plusieurs systèmes miniaturisés de cellules neuronales-gliales, de barrière hémato-encéphalique et d’unité neurovasculaire.
Les puces microfluidiques contiennent généralement deux ou plusieurs chambres fluidiquement séparées qui sont reliées par des microcanaux, des membranes poreuses ou des guides de phase. Ces connexions sont nécessaires au maintien d'interactions directes ou indirectes entre des populations cellulaires homogènes ou hétérogènes conservées dans ces chambres.
La première puce microfluidique destinée au cerveau a été conçue en séparant un soma neuronal de ses neurites à l’aide de microcanaux. Cette conception a été utilisée pour étudier la croissance directionnelle des neurites. Des modèles de circuits neuronaux plus avancés ont été développés plus tard en incorporant plusieurs chambres pour les sous-populations neuronales.
La maladie d’Alzheimer se caractérise par l’inclusion d’amyloïde-β (Aβ) mal repliés et d’enchevêtrements neurofibrillaires dans les neurones pyramidaux, principalement dans les régions de l’hippocampe et du cortex cérébral. b La MP est caractérisée par des agrégats de corps de Lewy composés d'α-synucléine mal repliée et par une dégénérescence des neurones dopaminergiques dans la région de la substance noire du cerveau. c La SLA se caractérise par l'inclusion de la protéine mutante 43 de liaison à l'ADN TAR (TDP-43) et d'autres protéines, la dégénérescence des motoneurones dans le cortex moteur et la moelle épinière et l'atrophie musculaire avec des protéines dysfonctionnelles. d La MH se caractérise par l'inclusion de la protéine Huntingtine mutante (mHTT) et la dégénérescence des neurones épineux moyens dans les noyaux gris centraux et le corps striatum du cerveau. Maladie d'Alzheimer, sclérose latérale amyotrophique SLA, facteur neurotrophique dérivé du cerveau BDNF, voie endosomale-autophagique-lysosomale EAL, acide gamma-aminobutyrique GABA, maladie de Huntington HD, préséniline 1 PSEN, synucléine alpha SNCA.
Les puces neuronales actuelles contiennent plusieurs chambres de différents diamètres positionnées dans diverses géométries. Ces modèles comprennent également des microcanaux aux formes structurées et à débit de fluide contrôlé. Ces caractéristiques permettent des connexions neuronales indirectes et directes, asymétriques et symétriques.
Des systèmes de pompe supplémentaires et une pression hydrostatique passive peuvent être incorporés aux puces pour contrôler le débit de fluide. Cela permet de créer des modèles de maladies en permettant un gradient de produits chimiques avec des concentrations variables dans les compartiments cellulaires.
Des membranes poreuses avec différentes tailles, nombres et positions de pores peuvent être utilisées sur les puces comme interface entre les chambres pour permettre des interactions indirectes médiées par des produits chimiques solubles et un contact physique direct. Cette conception a été utilisée pour imiter la barrière hémato-encéphalique sur les puces.
Application de puces microfluidiques à la pathogenèse des maladies neurodégénératives
Les puces microfluidiques peuvent être utilisées pour reproduire plusieurs systèmes anatomiques et physiologiques, notamment la jonction neuromusculaire, la voie corticostriatale, la substance noire, la barrière hémato-encéphalique, le système glymphatique, l'unité neurovasculaire et l'axe intestin-cerveau.
Pour fournir des signaux mécaniques, structurels et biochimiques aux cellules, un gel matriciel extracellulaire 3D a été introduit sur des puces, ce qui permet d'étudier la morphologie cellulaire, les modèles de migration, la transduction du signal et l'expression des gènes dans le contexte des maladies neurodégénératives.
Maladie sur puce d'Alzheimer
L'application de puces microfluidiques dans la recherche sur la maladie d'Alzheimer a fourni des informations précieuses sur des caractéristiques pathogènes distinctes, notamment l'accumulation de protéines bêta-amyloïde et tau, le dysfonctionnement mitochondrial et la neuroinflammation.
Plusieurs modèles de neurones sur puce ont été utilisés pour étudier la propagation de la protéine tau et la toxicité de la bêta-amyloïde. En séparant le soma et les neurites, les neurones sur puce permettent une visualisation en temps réel de la protéinopathie.
Une puce à gradient avec flux interstitiel a été utilisée pour étudier l’effet des oligomères bêta-amyloïdes sur les neurones. La migration des microglies médiée par les cytokines inflammatoires vers les neurones et les astrocytes de la maladie d'Alzheimer a été observée à l'aide d'un modèle de neuroinflammation statique 3D sur puce.
Une barrière hémato-encéphalique sur puce a été développée pour récapituler entièrement la formation de plaque amyloïde, la formation d'enchevêtrement neurofibrillaire et la perméabilité accrue des cellules endothéliales cérébrales.
Un neurosphéroïde dynamique sur puce a été développé en incorporant une pompe osmotique qui crée un flux de bêta-amyloïde exogène pour étudier la dégénérescence axonale et la mort cellulaire.
Maladie de Parkinson sur puces
De nombreuses études ont été menées sur la maladie de Parkinson sur puce pour récapituler principalement la pathogenèse liée à l'alpha-synucléine. La propagation de l'alpha-synucléine a été étudiée par co-culture de cellules de neurogliome qui expriment l'alpha-synucléine marquée par une protéine fluorescente verte.
Une puce à gradient a été développée pour manipuler l'expression intracellulaire de l'alpha-synucléine dans des levures singulièrement piégées dans le système avec un gradient de galactose. Des neurones dopaminergiques sur puce ont été développés pour récapituler le dysfonctionnement mitochondrial et la dégénérescence neuronale provoqués par des mutations liées à la maladie de Parkinson.
La substance noire et les puces de barrière vasculaire ont été développées en co-cultivant des neurones dopaminergiques du mésencéphale dérivés de cellules souches pluripotentes induites par l'homme, des cellules gliales primaires et des cellules endothéliales microvasculaires cérébrales dans des chambres séparées par une membrane poreuse. Ce modèle a été utilisé pour étudier le dysfonctionnement de la barrière hémato-encéphalique sur puce, la perte neuronale progressive, la neuroinflammation et l’astrogliose.
Sur puces pour sclérose latérale amyotrophique
L'application de gradients chimiotactiques et volumétriques sur la sclérose latérale amyotrophique sur puces a permis la formation réussie d'interactions entre les motoneurones mutés par FUS et les myotubes dérivés des mésangioblastes via des microcanaux.
De nombreuses pathologies de la sclérose latérale amyotrophique ont été récapitulées par la co-culture de la protéine de liaison à l'ADN TAR 43 (TDP-43) mutée par un sphéroïde de motoneurone et des fibres musculaires dans un état 3D entre deux chambres distinctes.
Une puce à trois chambres a été développée pour créer des interactions métaboliques entre les astrocytes mutés par la superoxyde dismutase et les neurones corticaux via des microcanaux dans une condition de gradient de glutamate.
La pathologie de dénervation musculaire de la sclérose latérale amyotrophique a été étudiée à l'aide d'un dispositif de jonction neuromusculaire compartimenté ouvert qui co-culture des motoneurones optogénétiques et des astrocytes mutés par la superoxyde dismutase sous forme de sphéroïde.
Puces contre la maladie de Huntington
Les premières pathologies de la maladie de Parkinson ont été étudiées en formant des connexions synaptiques entre les axones corticaux et les dendrites striatales via des microcanaux de différentes longueurs et un canal synaptique séparé.
Une puce corticostriatale a été développée pour étudier comment la protéine huntingtine mutante réduit le transport axonal cortical des facteurs neurotrophiques dérivés du cerveau afin de déclencher la dégénérescence des neurones striatums.
