Les scientifiques ont développé une méthode de recherche qui permet un examen beaucoup plus détaillé des processus cérébraux impliqués dans certains troubles neurologiques et mentaux. Ceci est réalisé en cultivant des organoïdes corticaux humains en culture et en les insérant dans des cerveaux de rongeurs en développement pour voir comment ils s’intègrent et fonctionnent au fil du temps. L’étude, financée par le National Institute of Mental Health (NIMH), qui fait partie des National Institutes of Health, apparaît dans la revue La nature.
Ce travail fournit une avancée significative dans la capacité des scientifiques à étudier les fondements cellulaires et des circuits des troubles complexes du cerveau humain. Cela permet aux organoïdes d’être « câblés » dans un contexte biologiquement plus pertinent et de fonctionner d’une manière qu’ils ne peuvent pas faire dans une boîte de Pétri. »
David Panchision, Ph.D., chef de la branche de recherche en neurosciences développementales et génomiques de la division des neurosciences et des sciences comportementales fondamentales au NIMH
Le chercheur Sergiu Pasca, MD, et ses collègues de l’Université de Stanford, Stanford, Californie, ont démontré qu’un organoïde cortical cultivé à partir de cellules souches humaines peut être transplanté et intégré dans le cerveau du rat en développement pour étudier certains processus de développement et fonctionnels. Les résultats suggèrent que les organoïdes transplantés peuvent offrir un outil puissant pour étudier les processus associés au développement de la maladie.
Les chercheurs utilisent parfois des organoïdes corticaux – des cultures tridimensionnelles de cellules souches humaines qui peuvent refléter certains des processus de développement observés dans des cerveaux typiques – comme modèle pour étudier le développement et le fonctionnement de certains aspects du cerveau humain. Cependant, les organoïdes corticaux n’ont pas la connectivité observée dans les cerveaux humains typiques, ce qui limite leur utilité pour comprendre les processus cérébraux complexes. Les chercheurs ont tenté de surmonter certaines de ces limitations en transplantant des neurones humains individuels dans des cerveaux de rongeurs adultes. Bien que ces neurones transplantés se connectent aux cellules cérébrales des rongeurs, ils ne s’intègrent pas complètement en raison des limitations de développement du cerveau du rat adulte.
Dans cette étude, l’équipe de chercheurs a fait progresser l’utilisation d’organoïdes cérébraux pour la recherche en transplantant un organoïde cortical humain intact dans un cerveau de rat en développement. Cette technique crée une unité de tissu humain qui peut être examinée et manipulée. Les chercheurs ont utilisé des méthodes précédemment mises au point dans le laboratoire Pasca pour créer des organoïdes corticaux à l’aide de cellules souches pluripotentes induites par l’homme, des cellules dérivées de cellules cutanées adultes qui ont été reprogrammées dans un état de type cellule souche immature. Ils ont ensuite implanté ces organoïdes sur le cortex somatosensoriel primaire du rat, une partie du cerveau impliquée dans le traitement des sensations.
Les chercheurs n’ont pas détecté d’anomalies motrices ou de mémoire ou d’anomalies de l’activité cérébrale chez les rats ayant reçu l’organoïde transplanté. Les vaisseaux sanguins du cerveau du rat ont soutenu avec succès le tissu implanté, qui s’est développé avec le temps.
Pour comprendre dans quelle mesure les organoïdes pourraient s’intégrer dans le cortex somatosensoriel du rat, les chercheurs ont infecté un organoïde cortical avec un traceur viral qui se propage à travers les cellules cérébrales comme indicateur des connexions fonctionnelles. Après avoir transplanté l’organoïde marqué sur le cortex somatosensoriel primaire du rat, les chercheurs ont détecté le traceur viral dans plusieurs zones cérébrales, telles que le noyau ventrobasal et le cortex somatosensoriel. De plus, les chercheurs ont observé de nouvelles connexions entre le thalamus et la zone transplantée. Ces connexions ont été activées à l’aide d’une stimulation électrique et d’une stimulation des moustaches du rat, indiquant qu’ils recevaient une entrée sensorielle significative. De plus, les chercheurs ont pu activer des neurones humains dans l’organoïde transplanté pour moduler le comportement de recherche de récompense du rat. Les résultats suggèrent une intégration fonctionnelle de l’organoïde transplanté dans des voies cérébrales spécifiques.
Structurellement et fonctionnellement, après sept à huit mois de croissance, l’organoïde cérébral transplanté ressemblait davantage aux neurones du tissu cérébral humain qu’aux organoïdes humains maintenus en culture cellulaire. Le fait que les organoïdes transplantés reflétaient les caractéristiques structurelles et fonctionnelles des neurones corticaux humains a amené les chercheurs à se demander s’ils pouvaient utiliser des organoïdes transplantés pour examiner les aspects des processus pathologiques humains.
« La promesse de cette plate-forme n’est pas seulement d’identifier les processus moléculaires qui sous-tendent la maturation avancée des neurones humains dans les circuits vivants et d’en tirer parti pour améliorer les in vitro modèles, mais aussi en fournissant des lectures comportementales pour les neurones humains », a déclaré le Dr Pasca.
Pour examiner cela, les chercheurs ont généré des organoïdes corticaux avec des cellules de trois participants atteints d’un trouble génétique rare associé à l’autisme et à l’épilepsie appelé syndrome de Timothy et trois participants sans aucune maladie connue et les ont implantés sur le cerveau du rat. Les deux types d’organoïdes intégrés dans le cortex somatosensoriel du rat, mais les organoïdes dérivés de patients atteints du syndrome de Timothy présentaient des différences structurelles. Ces différences structurelles n’apparaissent pas dans les organoïdes créés à partir des cellules de patients atteints du syndrome de Timothy et maintenus en culture cellulaire.
« Ces expériences suggèrent que cette nouvelle approche peut capturer des processus qui vont au-delà de ce que nous pouvons détecter avec le courant in vitro modèles », a déclaré le Dr Pasca. « Ceci est important car bon nombre des changements qui causent les maladies psychiatriques sont probablement des différences subtiles au niveau du circuit.
