À l’aide d’une méthode de microscopie innovante, des scientifiques de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire du MIT ont observé comment les neurones nouveau-nés ont du mal à atteindre leur place dans des modèles avancés de tissus cérébraux humains du syndrome de Rett, produisant de nouvelles informations sur la façon dont les déficits de développement observés dans le cerveau des patients avec le désordre dévastateur peut émerger.
Le syndrome de Rett, caractérisé par des symptômes tels qu’une déficience intellectuelle sévère et un comportement social altéré, est causé par des mutations du gène MECP2. Pour mieux comprendre comment la mutation affecte les premiers stades du développement du cerveau humain, des chercheurs du laboratoire Mriganka Sur, professeur Newton de neurosciences au département des sciences cérébrales et cognitives du MIT, ont cultivé des cultures de cellules 3D appelées organoïdes cérébraux, ou minicerveaux, à l’aide de cellules. de personnes présentant des mutations MECP2 et les a comparées à des cultures par ailleurs identiques sans les mutations. Ensuite, l’équipe dirigée par le postdoc Murat Yildirim a examiné le développement de chaque type de mini-cerveau à l’aide d’une technologie d’imagerie avancée appelée microscopie à trois photons de génération de troisième harmonique (THG).
Le THG, que Yildirim a aidé à créer dans le laboratoire de Sur en collaboration avec le professeur de génie mécanique du MIT, Peter So, permet une imagerie à très haute résolution profondément dans les tissus vivants et intacts sans avoir à ajouter de produits chimiques pour étiqueter les cellules. La nouvelle étude, publiée dans eVie, est le premier à utiliser THG pour imager les organoïdes, les laissant pratiquement intacts, a déclaré Yildirim. Les études d’imagerie organoïdes antérieures ont nécessité l’utilisation de technologies qui ne peuvent pas imager tout le tissu 3D, ou de méthodes qui nécessitent de tuer les cultures : soit en les coupant en fines sections, soit en les nettoyant chimiquement et en les étiquetant.
La microscopie à trois photons utilise un laser, mais Yildirim et So ont conçu le microscope du laboratoire pour qu’il n’applique pas plus de puissance aux tissus qu’un pointeur laser pour chat (moins de 5 milliwatts).
« Vous devez vous assurer que vous ne modifiez pas ou n’affectez pas la physiologie neuronale de manière défavorable », a déclaré Yildirim. « Vous devez vraiment tout garder intact et vous assurer que vous n’apportez pas quelque chose d’extérieur qui pourrait être dommageable. C’est pourquoi nous faisons si attention à l’alimentation (et à l’étiquetage chimique). »
Même à faible puissance, ils ont obtenu un signal adéquat pour obtenir une imagerie intacte et sans étiquette d’organoïdes fixes et vivants. Pour valider cela, ils ont comparé leurs images THG à des images réalisées via des méthodes de marquage chimique plus traditionnelles.
Le système THG leur a permis de suivre la migration des neurones nouveau-nés alors qu’ils se frayaient un chemin depuis le bord autour des espaces ouverts dans les mini-cerveaux (appelés ventricules) jusqu’au bord externe, qui est directement analogue au cortex du cerveau. Ils ont vu que les neurones naissants dans les mini-cerveaux modélisant le syndrome de Rett se déplaçaient lentement et dans des chemins sinueux par rapport au mouvement plus rapide en lignes plus droites présenté par les mêmes types de cellules dans les mini-cerveaux sans mutation MECP2. Sur a déclaré que les conséquences de ces déficits migratoires sont cohérentes avec ce que les scientifiques, y compris dans son laboratoire, ont émis l’hypothèse qui se passe chez les fœtus atteints du syndrome de Rett.
« Nous savons, grâce aux cerveaux post-mortem et aux méthodes d’imagerie cérébrale, que les choses tournent mal pendant le développement du cerveau dans le syndrome de Rett, mais il a été étonnamment difficile de comprendre quoi et pourquoi », a déclaré Sur, qui dirige le Simons Center for the Social Brain au MIT. « Cette méthode nous a permis de visualiser directement un contributeur clé. » THG image les tissus sans étiquettes car il est très sensible aux changements de l’indice de réfraction des matériaux, a déclaré Yildirim. Il résout donc les frontières entre les structures biologiques, telles que les vaisseaux sanguins, les membranes cellulaires et les espaces extracellulaires. Parce que les formes neuronales changent au cours de leur développement, l’équipe a également pu voir clairement la délimitation entre la zone ventriculaire (la zone autour des ventricules où les neurones nouveau-nés émergent) et la plaque corticale (une zone dans laquelle les neurones matures s’installent). Il était également très facile de résoudre divers ventricules et de les segmenter en régions distinctes.
Ces propriétés ont permis aux chercheurs de voir que dans les organoïdes du syndrome de Rett, les ventricules étaient plus grands et plus nombreux et que les zones ventriculaires ; les rebords autour des ventricules où naissent les neurones ; étaient plus minces. Dans des organoïdes vivants, ils ont pu suivre certains des neurones se dirigeant vers le cortex pendant quelques jours, prenant une nouvelle photo toutes les 20 minutes, comme les neurones des vrais cerveaux en développement tentent également de le faire. Ils ont vu que les neurones du syndrome de Rett n’atteignaient qu’environ les deux tiers de la vitesse des neurones non mutés. Les chemins des neurones de Rett étaient également beaucoup plus ondulés. Les deux différences combinées signifiaient que les cellules de Rett étaient à peine moitié moins loin.
Nous voulons maintenant savoir comment MECP2 influence les gènes et les molécules qui influencent la migration neuronale. En criblant les organoïdes du syndrome de Rett, nous avons de bonnes suppositions, que nous sommes impatients de tester. »
Mriganka Sur, professeur Newton de neurosciences au département des sciences cérébrales et cognitives du MIT
Yildirim, qui lancera son propre laboratoire en tant que professeur adjoint au Lerner Research Institute de la Cleveland Clinic en septembre, a déclaré qu’il avait de nouvelles questions basées sur les résultats. Il veut imager plus tard dans le développement organoïde pour suivre les conséquences de la migration sinueuse. Il souhaite également en savoir plus sur la question de savoir si des types de cellules spécifiques ont plus ou moins de mal à migrer, ce qui pourrait modifier le fonctionnement des circuits corticaux.
Yildirim a également déclaré qu’il espérait continuer à faire progresser la microscopie à trois photons THG, qu’il considère comme ayant un potentiel d’imagerie à grain fin chez l’homme. Cela peut être un avantage important chez les personnes, en particulier le fait que la méthode d’imagerie peut pénétrer profondément dans les tissus vivants sans avoir besoin d’étiquettes artificielles.
Outre Yildirim, Sur et So, les autres auteurs de l’article sont Chloe Delépine, Danielle Feldman, Vincent Pham, Stephanie Chou, Jacque Pak Kan Ip, Alexi Nott, Li-Huei Tsai et Guo-li Ming.
Les National Institutes of Health, la National Science Foundation, la JPB Foundation et la Massachusetts Life Sciences Initiative ont financé la recherche.
