Dans une étude récente publiée dans Communications naturelles, les chercheurs examinent les effets du gradient morphogène temporel lors de l’induction neurale (NI) sur la formation d’organoïdes cérébraux.
Étude: L’induction neuronale pilotée par le gradient morphogène temporel façonne des organoïdes cérébraux neuroépithéliaux élargis uniques avec une identité corticale améliorée. Crédit d’image : sdecoret/Shutterstock.com
Comment étudie-t-on le développement du cerveau ?
Le développement du cerveau humain est unique par rapport aux autres mammifères et difficile à étudier en raison du manque de systèmes modèles appropriés. Néanmoins, in vitro les modèles de cerveau humain, notamment les sphéroïdes ou les organoïdes, sont devenus des outils puissants pour étudier le développement du cerveau.
Les organoïdes cérébraux ont joué un rôle essentiel dans la révélation des aspects essentiels du développement cérébral ; cependant, certaines caractéristiques biologiques peuvent être récapitulées de manière limitée. Une caractéristique morphologique distinctive au sein de chaque organoïde cérébral est le développement spontané et incontrôlé de rosettes, qui représentent des unités neuroépithéliales indépendantes conduisant à une hétérogénéité intermédiaire et intra-organoïde.
Résultats de l’étude
Après la dissociation des cellules souches embryonnaires humaines et la réagrégation en corps embryoïdes dans un milieu de cellules souches, une double inhibition SMAD a été utilisée pour le NI cortical et est passée soudainement ou progressivement à un milieu NI.
Dans le protocole progressif et par étapes, les cellules ont été exposées à un gradient prolongé et décroissant du milieu de cellules souches et, concomitamment, le milieu NI a été augmenté par étapes. Organoïdes corticaux (CO) de forme sphérique formés avec de nombreuses rosettes sous NI soudaine. En revanche, une forme alambiquée était évidente sous NI par étapes, qui devenait plus prononcée avec le temps.
Une bordure distincte plus claire avec des plis et des crêtes au sommet était visible au jour 14, qui s’est prolongée et est devenue plus importante au jour 24, suggérant ainsi des structures neuroépithéliales élargies avec NI par étapes.
La circularité a été considérablement réduite sous NI progressive et les zones organoïdes ont considérablement augmenté aux jours 20 et 25. Les organoïdes générés à l’aide d’un protocole commercial présentaient également une morphologie sphérique.
L’organisation cellulaire a été analysée par immunomarquage à la N-cadhérine (NCAD). CO contenus NCAD+ cellules sous forme d’une collection de rosettes neurales de différentes formes et tailles aux jours 16 et 24.
En revanche, les organoïdes générés sous NI progressive formaient un NCAD continu, allongé, organisé radialement et plié.+ neuroépithélium qui ressemblait à une structure de type zone ventriculaire (VZ). Les organoïdes formés avec le gradient NI ont été appelés organoïdes de neuroépithélium expansé (ENO).
Le facteur de croissance transformant (TGF) -β et le facteur de croissance des fibroblastes 2 (FGF2) étaient les principaux morphogènes du milieu de cellules souches. Comparativement, le milieu NI contenait des inhibiteurs du TGF-β (SB-431542) et de la protéine morphogénétique osseuse (BMP) (dorsomorphine).
Les chercheurs ont ensuite évalué si le gradient contrôlé de TGF-β composé de niveaux décroissants de TGF-β et de niveaux croissants de SB-431542 était responsable du phénotype ENO. À cette fin, des organoïdes ont été générés sous différents niveaux de modulation de signalisation TGF-β au cours de NI.
Les organoïdes générés en réduisant progressivement les niveaux de TGF-β sans le neutraliser avec le SB-431542 étaient phénotypiquement identiques aux ENO. Lorsque le TGF-β présent dans le milieu a été soudainement éliminé et remplacé par le SB-431542, les organoïdes étaient morphologiquement plus similaires aux CO. Des expériences supplémentaires suggèrent que les ENO ont connu une différenciation neuronale après une phase prolongée d’expansion des cellules souches.
Bien que les CO et les ENO soient tous deux positifs pour les marqueurs corticaux progéniteurs, les stigmates vides homeobox 2 (EMX2) et la boîte appariée 6 (PAX6), les ENO présentaient une proportion plus élevée de PAX6.+ cellules dans le VZ à différents moments. De plus, l’expression de PAX2 était homogène et présente dans les zones germinales du neuroépithélium élargi des ENO. Comparativement, PAX2+ les cellules étaient dispersées dans des structures en rosette dans les CO.
Ces données suggèrent une spécification corticale améliorée des ENO. Le neuroépithélium était significativement plus épais dans les ENO que dans les rosettes de CO. Le périmètre apical des structures de rosette a diminué entre les jours 16 et 24, alors que les ENO n’ont pas présenté cette diminution.
Les cellules situées le long du côté apical des structures de type VZ dans les ENO avaient une surface apicale significativement plus grande que les cellules des structures en rosette. Notamment, une surface apicale cellulaire élargie a été associée à la transition retardée vers la glie radiale neurogène, une caractéristique du développement du cerveau humain. Les cellules progénitrices apicales des ENO présentaient des processus apical-basal plus longs et des noyaux densément compactés avec une forme allongée dans la VZ que les noyaux des CO.
Conclusions
Les résultats de l’étude mettent en évidence qu’une NI basée sur un gradient morphogène temporel pourrait influencer le développement des organoïdes. Plus précisément, le gradient temporel au cours de l’IN détermine la formation d’organoïdes composés d’un neuroépithélium apical élargi, plutôt que l’apparition incontrôlée de rosettes.
Une épaisseur accrue de VZ, des noyaux et une forme cellulaire allongés, ainsi qu’une plus grande surface cellulaire apicale ont été observés dans les ENO, qui sont toutes des caractéristiques d’un cerveau humain en développement. Dans l’ensemble, les ENO représentent une plate-forme pour étudier le développement précoce du cerveau cortical humain et la relation complexe entre les états cellulaires et l’architecture tissulaire dans un cerveau humain en développement.
