Les scientifiques ont conçu une plate-forme de nanofils qui imite le tissu cérébral pour étudier pour la première fois les astrocytes, les cellules en forme d'étoile essentielles à la santé du cerveau, dans leur état naturel.
Les astrocytes sont les cellules les plus abondantes et les plus mystérieuses du cerveau, responsables de la régulation de la communication entre les neurones et du maintien de la barrière hémato-encéphalique. Ce sont également des métamorphes très dynamiques, ce qu’ils ne font pas sur les boîtes de Pétri classiques, ce qui laisse des lacunes majeures dans notre compréhension de leur fonctionnement.
Malheureusement, on sait peu de choses sur l’étonnante diversité de la morphologie des astrocytes et nous ne savons pas grand-chose non plus sur la machinerie moléculaire à l’origine de ces changements de forme. Ils ne prendront pas ces formes sur le verre, la question pour nous était donc de savoir comment reproduire ces formes. in vivo forme mais in vitro? »
Ishan Barman, co-auteur principal, Bio-ingénieur de l'Université Johns Hopkins
En permettant l'étude des astrocytes avec des détails sans précédent, les travaux, dirigés par Johns Hopkins et le Conseil national de recherches d'Italie, nous aideront à mieux comprendre le fonctionnement et le dysfonctionnement du cerveau, y compris ce qui ne va pas dans les troubles neurodégénératifs.
Le travail financé par le gouvernement fédéral est récemment publié dans Science avancée.
Les astrocytes sont à la base de la santé cérébrale. Ils constituent essentiellement l’échafaudage du cerveau. Et les dysfonctionnements des astrocytes sont liés à de nombreuses maladies, notamment la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson.
Les scientifiques soupçonnent que la forme d’étoile caractéristique des astrocytes est liée à leurs diverses fonctions clés. Mais ces formes s’effondrent dès que les scientifiques tentent de les étudier au microscope sur des plateaux de verre typiques.
« Pour vraiment comprendre les astrocytes, nous devons reproduire leur environnement », a déclaré Barman. « La forme n'est pas aléatoire. Et si nous ne parvenons pas à la recréer fidèlement, nous ne pourrons pas en comprendre la fonction. »
Pour permettre d’étudier les astrocytes sous leur véritable forme, l’équipe a réalisé deux avancées.
Ils ont d’abord créé des tapis de nanofils de verre qui imitent la texture du tissu cérébral tout en restant optiquement transparents. Lorsqu’ils sont placés sur cette structure de nanofils, les astrocytes non seulement conservent leur forme caractéristique, mais ils grandissent et prospèrent.
« Lorsqu'ils sont cultivés sur des tapis de nanofils, les astrocytes retrouvent leur morphologie étoilée, se ramifiant et mûrissant comme ils le font. in vivo dans le cerveau », a déclaré Annalisa Convertino, co-auteure principale du Conseil national de recherches d'Italie.
En combinant ces nanofils avec une nouvelle forme d’imagerie qui fournit des vues 3D haute résolution sans étiquettes fluorescentes ni coloration invasive, l’équipe a pu capturer comment les astrocytes se développent, se ramifient et changent de forme.
« La capacité de combiner la culture de nanofils avec une imagerie haute résolution et sans étiquette était essentielle », a déclaré Anoushka Gupta, co-premier auteur, étudiante diplômée du laboratoire de Barman. « Cela permet enfin une quantification précise de la morphologie des astrocytes. »
L'équipe s'attend à ce que cette technique, qui pourrait également être utilisée pour étudier d'autres cellules, fasse progresser les technologies du « cerveau sur puce », notamment les organoïdes et d'autres plates-formes de neuro-ingénierie de nouvelle génération.
« Il s'agit d'un grand pas en avant au-delà des modèles de culture plate et ouvre la voie à une nouvelle génération de modèles de type » cerveau sur puce « », a déclaré Barman. « Nous pensons que cela pourrait annoncer le début d'une nouvelle manière d'étudier les maladies neurogénératives, les effets des médicaments et les lésions cérébrales. »
Les auteurs incluent Pooja Anantha, Anoushka Gupta, Joo Ho Kim, Piyush Raj, Swati Tanwar, Jessica Chen, Luo Gu, tous de Johns Hopkins ; Emanuela Saracino et Ivano Lucarini du Conseil national de recherches d'Italie ; et Jay Agrawal de VA Hudson Valley Health Care.
