Les organes du corps humain ont des réseaux complexes de tubes et de boucles remplis de liquide. Ils se présentent sous différentes formes et leurs structures tridimensionnelles sont différemment connectées les unes aux autres, selon l’organe. Au cours du développement d’un embryon, les organes développent leur forme et leur architecture tissulaire à partir d’un simple groupe de cellules. En raison d’un manque de concepts et d’outils, il est difficile de comprendre comment la forme et le réseau tissulaire complexe apparaissent au cours du développement des organes. Des métriques pour le développement des organes ont maintenant été définies pour la première fois par des scientifiques de l’Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) et du MPI pour la physique des systèmes complexes (MPI-PKS), tous deux à Dresde, comme ainsi que l’Institut de recherche en pathologie moléculaire (IMP) à Vienne. Dans leur étude, l’équipe internationale de chercheurs fournit les outils nécessaires pour transformer le domaine des organoïdes – organes miniatures – en une discipline d’ingénierie pour développer des systèmes modèles pour le développement humain.
L’interaction collective des cellules conduit à la formation d’un organisme au cours du développement. Les différents organes présentent diverses géométries et des structures tridimensionnelles connectées différemment qui déterminent la fonction des tubes et des boucles remplis de liquide dans les organes. Un exemple est l’architecture de réseau ramifié du rein, qui prend en charge la filtration efficace du sang. L’observation du développement embryonnaire dans un système vivant est difficile, c’est pourquoi il existe si peu de concepts décrivant comment se développent les réseaux de tubes et de boucles remplis de liquide. Alors que des études antérieures ont montré comment la mécanique cellulaire induisait des changements de forme locaux au cours du développement d’un organisme, on ne sait pas comment la connectivité des tissus émerge. En combinant imagerie et théorie, le chercheur Keisuke Ishihara a commencé à travailler sur cette question d’abord dans le groupe de Jan Brugues au MPI-CBG et MPI-PKS. Il a ensuite poursuivi son travail dans le groupe d’Elly Tanaka à l’IMP. Avec son collègue Arghyadip Mukherjee, ancien chercheur dans le groupe de Frank Jülicher au MPI-PKS, et Jan Brugués, Keisuke a utilisé des organoïdes dérivés de cellules souches embryonnaires de souris qui forment un réseau complexe d’épithéliums, qui tapissent les organes et fonctionnent comme une barrière. .
Je me souviens encore du moment excitant où j’ai découvert que certains organoïdes s’étaient transformés en tissus avec de multiples bourgeons qui ressemblaient à une grappe de raisin. Cependant, décrire le changement de l’architecture tridimensionnelle au cours du développement s’est avéré difficile. J’ai découvert que ce système organoïde génère des structures internes étonnantes avec de nombreuses boucles ou passages, ressemblant à une balle jouet avec des trous. »
Keisuke Ishihara, chercheur
Étudier le développement des tissus dans les organoïdes présente plusieurs avantages : ils peuvent être observés avec des méthodes de microscopie avancées, permettant de voir les changements dynamiques au plus profond du tissu. Ils peuvent être générés en grand nombre et l’environnement peut être contrôlé pour influencer le développement. Les chercheurs ont pu étudier la forme, le nombre et la connectivité de l’épithélium. Ils ont suivi les changements dans la structure interne des organoïdes au fil du temps. Keisuke poursuit : « Nous avons découvert que la connectivité tissulaire émerge de deux processus différents : soit deux épithéliums distincts fusionnent, soit un seul épithélium s’auto-fusionne en fusionnant ses deux extrémités, créant ainsi une boucle en forme de beignet. Les chercheurs suggèrent, sur la base de la théorie des surfaces épithéliales, que la rigidité des épithéliums est un paramètre clé qui contrôle la fusion épithéliale et, par conséquent, le développement de la connectivité tissulaire.
Les superviseurs de l’étude, Jan Brugues, Frank Jülicher et Elly Tanaka concluent : « Nous espérons que nos découvertes conduiront à une nouvelle vision des architectures tissulaires complexes et de l’interaction entre la forme et la connectivité du réseau dans le développement des organes. Notre cadre expérimental et d’analyse aidera la communauté organoïde à caractériser et à concevoir des tissus auto-organisés qui imitent les organes humains. En révélant comment les facteurs cellulaires influencent le développement des organes, ces résultats peuvent également être utiles aux biologistes des cellules du développement qui s’intéressent aux principes organisationnels.
