Pour la première fois, un modèle de cellules souches a produit une structure ressemblant à un embryon humain précoce avec une structure semblable à celle d'un sac vitellin, à partir d'une seule population de cellules souches de départ et sans manipulation génétique directe.
Les modèles ont été réalisés à l’Université d’ingénierie du Michigan. Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences ont fourni des données sur des embryons de singe pour confirmer que l'équipe du Michigan voyait effectivement une structure semblable à un sac vitellin dans leurs modèles.
« Selon les connaissances canoniques du développement humain, le sac vitellin devrait provenir de cellules hypoblastiques. Nous savons que notre système ne peut pas produire d'hypoblastes ou leurs dérivés, nous avons donc pensé que nous ne pouvions pas voir la structure du sac vitellin », a déclaré Jianping Fu, professeur de génie mécanique à l'UM et auteur correspondant de l'étude dans Biologie cellulaire naturelle.
Les embryologistes ont capturé des images fixes de la plupart des étapes du développement humain, mais celles-ci ne peuvent pas répondre à de nombreuses questions liées au développement humain. Comment les différentes cellules et tissus émergent-ils dans le jeune embryon humain ? Quelles molécules de signalisation sont en jeu ? Quels gènes sont importants au début du développement humain ? Et pourquoi tant de grossesses potentielles se terminent-elles dans les premières semaines suivant la fécondation ?
Pour mieux comprendre le développement humain et aider davantage de familles à avoir des grossesses saines, les chercheurs développent des modèles de cellules souches de ces premières semaines. Cette étude a été financée principalement par l'Université du Michigan.
Confinement mécanique pour étudier la gastrulation
Le sac vitellin a été difficile à reproduire dans les modèles de cellules souches du développement humain. Le jeune embryon constitue cette réserve d’énergie pendant que le placenta est en construction. Le sac vitellin est également l’organe qui forme le premier système circulatoire sanguin du corps humain. Les laboratoires qui ont produit des structures semblables à celles du sac vitellin dans des modèles de cellules souches ont forcé les cellules à suivre cette voie grâce à des manipulations génétiques.
L'équipe de Fu est connue pour utiliser des signaux mécaniques pour guider le développement de type embryonnaire dans les cellules souches pluripotentes humaines. Ce type de cellules souches imite les épiblastes, les cellules fondamentales qui peuvent devenir n’importe quel tissu du corps. Cette fois, Fu et son équipe essayaient de recréer la gastrulation, au cours de laquelle les cellules épiblastiques de l'embryon commencent à s'organiser pour former la structure de base du corps et donner naissance aux rudiments des principaux organes.
L’équipe a modelé les cellules souches pluripotentes humaines en une seule couche, formant un disque de 0,8 millimètres de diamètre. Au début de la gastrulation, l’épiblaste de l’embryon humain forme un disque à peu près de la même taille.
« La première étape importante de notre approche consiste à établir le confinement géométrique initial des cellules souches. Ce motif circulaire fournit des confinements géométriques qui favorisent l'interaction et l'auto-organisation des cellules », a déclaré Shiyu Sun, titulaire d'un doctorat. étudiant en génie mécanique à l’UM et premier auteur de l’étude.
Pour relancer la gastrulation, l’équipe a exposé les cellules à une molécule de signalisation appelée BMP-4. Cette molécule est normalement produite par une coquille de cellules qui entourent l'embryon au cours du développement humain normal, mais elle est absente dans l'état initial de ce modèle. Sun a noté la présence d'autres molécules de signalisation dans le milieu de culture cellulaire, qui aident également à guider la transformation des cellules en différents types. Ce processus est appelé différenciation.
Les cellules souches produisent une production excessive, produisant des structures semblables à celles du sac vitellin
L’équipe espérait voir ce disque devenir trois couches d’épaisseur, avec des types de cellules distincts dans chaque couche, correspondant à peu près aux précurseurs du corps externe et du système nerveux, de l’intestin et des tissus intermédiaires. Chez l’embryon, cela commence par la formation de la « strie primitive », une structure qui aide à établir l’axe tête-queue du corps.
Dans les modèles, les cellules qui ont commencé à envoyer des signaux primitifs n’étaient pas organisées en ligne. Au lieu de cela, les cellules semblaient former des cercles concentriques, disposés ensuite en un disque à trois couches.
Et ce n'était pas seulement le disque. Sur la face supérieure, là où se formaient les précurseurs de l’extérieur du corps et du système nerveux, émergeait une cavité bordée de cellules amniotiques – une structure semblable au début d’un sac amniotique. Et du côté de l’intestin, une structure ressemblant à un sac vitellin est apparue.
« C'était assez surprenant de trouver ces structures en forme de sac vitellin », a déclaré Sun. « Au début, je ne pensais pas que c'était un sac vitellin. »
On pense que le sac vitellin provient des hypoblastes, un ensemble de cellules qui apparaissent normalement à côté des cellules épiblastiques plutôt que d’en descendre. Jusqu’à présent, les chercheurs ne savaient pas que pendant la gastrulation, les cellules épiblastiques disposaient d’options supplémentaires, capables de construire des structures en dehors de l’embryon proprement dit.
Lorsque ces cavités ont commencé à se former, les cultures cellulaires 3D se sont détachées de la plaque. Les cellules ont d’abord continué à se développer à la manière d’un embryon, puis ont commencé à diverger et à devenir plus désorganisées. La similarité avec les embryons humains a culminé au huitième jour de la culture cellulaire, imitant le développement humain environ 16 à 21 jours après la fécondation. Selon les chercheurs, environ 15 à 20 % des cultures ont formé ces structures, selon la lignée cellulaire, ce qui est très efficace par rapport à des modèles similaires.
Confirmant l'observation du sac vitellin
Parce que ce niveau de développement dépasse la règle des 14 jours pour la culture d'embryons humains, l'équipe du Michigan s'est appuyée sur des collègues en Chine, qui ont accès à des embryons de singe post-implantation, pour confirmer les résultats de leurs modèles. Ensemble, ils ont identifié un marqueur définitif du développement du sac vitellin : l'activation du gène HNF4A, également associé au développement du foie, des reins et des intestins.
L’équipe a utilisé le traçage de la lignée pour identifier la voie qui transformait les cellules épiblastiques en cellules du sac vitellin, découvrant qu’elles étaient effectivement apparues par gastrulation. Ils y sont parvenus en associant un peu de code génétique à un gène qui s'active pendant la gastrulation, amenant les cellules à produire une protéine verte fluorescente.
Bien qu’utiles pour montrer certaines dynamiques du développement humain, les modèles ne peuvent pas évoluer davantage. Même au maximum de l’organisation, les trois couches du plan corporel étaient plus épaisses que la normale. De plus, le modèle manque de cellules trophoblastiques, qui forment le placenta.
Les plaques de culture avec des cercles à micro-motifs ont été fabriquées dans l'installation de nanofabrication de Lurie. L’analyse des modèles de cellules souches s’est appuyée sur le Michigan Medicine Microscopy Core, le Michigan Orthopaedic Research Laboratories Histology Core, le Michigan Advanced Genomics Core et le Michigan Flow Cytometry Core. Ces installations sont financées en partie par des allocations de coûts indirects provenant de subventions fédérales.
L'équipe a déposé une demande de protection par brevet avec l'aide d'UM Innovation Partnerships et recherche des partenaires pour commercialiser la technologie.
Fu est également professeur de biologie cellulaire et développementale et de génie biomédical.
