Pour la première fois, les scientifiques ont cultivé des tissus fonctionnels semblables à ceux du cerveau sans utiliser de matériaux d'origine animale ni de revêtements biologiques ajoutés. Ce développement ouvre la porte à des tests de dépistage neurologiques plus contrôlés et plus humains.
L'objectif global de l'ingénierie des tissus neuronaux est de créer quelque chose qui ressemble étroitement à la structure et à la fonction du cerveau humain, permettant des études sur les maladies neurologiques et des tests de médicaments plus reproductibles.
« L'un des inconvénients de la plupart des plates-formes de tissus cérébraux est qu'elles utilisent des revêtements biologiques pour aider les cellules vivantes à se développer. Ces revêtements d'origine animale sont mal définis, ce qui rend difficile la recréation de leur composition exacte pour des tests fiables », a déclaré Iman Noshadi, professeur agrégé de bio-ingénierie à l'UCR qui a dirigé l'équipe.
De plus, utiliser des cerveaux d’animaux pour mener des recherches pertinentes sur les conditions humaines – comme c’est actuellement la norme – n’est pas idéal. Il existe des différences génétiques et physiologiques significatives entre le cerveau des rongeurs et celui de l’homme. Cette plateforme pourrait réduire, et dans certains cas éliminer, la nécessité d'utiliser des cerveaux d'animaux à cette fin et s'aligne sur les efforts de la FDA américaine visant à éliminer progressivement les exigences en matière d'expérimentation animale dans le développement de médicaments.
Le nouveau matériau, décrit dans la revue Advanced Functional Materials, fonctionne comme un échafaudage sur lequel cultiver des cellules cérébrales de donneurs et pourrait être utilisé pour modéliser des lésions cérébrales traumatiques, des accidents vasculaires cérébraux ou des maladies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer.
Il est principalement composé d'un polymère commun connu pour sa neutralité chimique appelé polyéthylène glycol, ou PEG. En règle générale, les cellules vivantes ne s’attachent pas au PEG sans l’ajout de protéines comme la laminine ou la fibrine.
En remodelant le PEG en un labyrinthe de pores texturés et interconnectés, l’équipe de recherche a transformé un matériau inerte en une matrice que les cellules reconnaissent, colonisent et utilisent pour construire des réseaux neuronaux fonctionnels. Une fois ces cellules matures, elles pourraient présenter une activité neuronale spécifique au donneur, permettant ainsi une évaluation directe de médicaments ciblés sur leurs affections neurologiques.
« Comme l'échafaudage technique est stable, il permet des études à plus long terme », a déclaré le prince David Okoro, auteur principal de l'étude et doctorant dans le laboratoire de Noshadi. « C'est particulièrement important car les cellules cérébrales matures reflètent davantage la fonction réelle des tissus lors de l'étude de maladies ou de traumatismes pertinents. »
Pour construire la structure de l'échafaudage, l'équipe a utilisé un processus impliquant de l'eau, de l'éthanol et du PEG circulant à travers des capillaires en verre imbriqués. Lorsque le mélange atteint un courant d’eau externe, ses composants commencent à se séparer. Un éclair de lumière stabilisa cette séparation, verrouillant la structure poreuse.
Les pores permettent à l’oxygène et aux nutriments de circuler efficacement dans toute la structure, nourrissant essentiellement les cellules souches données.
« Le matériau garantit que les cellules obtiennent ce dont elles ont besoin pour croître, s'organiser et communiquer entre elles dans des groupes semblables à ceux d'un cerveau », a déclaré Noshadi. « Comme la structure imite plus étroitement la biologie, nous pouvons commencer à concevoir des modèles tissulaires avec un contrôle beaucoup plus fin sur le comportement des cellules. »
La recherche a commencé en 2020 et a été soutenue par les fonds de démarrage de Noshadi d'UC Riverside. Le travail d'Okoro a été financé par le California Institute for Regenerative Medicine.
Actuellement, le matériau de l’échafaudage n’a qu’une largeur d’environ deux millimètres. À l’avenir, l’équipe travaille à la mise à l’échelle du modèle et a soumis un article connexe axé sur les tissus hépatiques.
L'objectif à long terme du groupe est de développer une suite de cultures interconnectées au niveau des organes qui reflètent la façon dont les systèmes du corps interagissent. Ils espèrent que ces plates-formes tissulaires offriront une stabilité, une longévité et une fonctionnalité comparables au modèle de tissu cérébral.
« Un système interconnecté nous permettrait de voir comment différents tissus réagissent au même traitement et comment un problème dans un organe peut en influencer un autre. C'est une étape vers une compréhension plus intégrée de la biologie humaine et des maladies », a déclaré Noshadi.
