Dans un nouveau rapport de recherche, des scientifiques de Johns Hopkins Medicine affirment avoir développé une technologie qui leur permet de capturer un « instantané » moléculaire en 3D de centaines de follicules pileux au fur et à mesure de leur développement, puis de reconstruire la quatrième dimension – le temps – pour créer efficacement une animation en stop-motion de la façon dont cet organe se forme.
La recherche financée par les National Institutes of Health a été publiée en ligne le 1er juillet et paraîtra dans le numéro imprimé du 3 septembre de Cellule.
Les follicules pileux sont les organes les plus petits et les plus nombreux de notre corps, mais ils se forment de la même manière que les autres organes, disent les scientifiques. Cette avancée ouvre ainsi la voie à la compréhension de la manière dont le développement des organes peut mal se passer chez les personnes atteintes de certaines maladies congénitales.
« Notre carte quadridimensionnelle (4D) du follicule pileux de souris sert de système modèle pour comprendre les principes fondamentaux du développement des organes », explique Reza Kalhor, Ph.D., professeur agrégé de génie biomédical à la faculté de médecine de l’université Johns Hopkins, qui a dirigé la récente étude.
En analysant la carte 4D, les chercheurs ont pu identifier des phases distinctes dans la formation de cet organe, une chorégraphie complexe de milliers de cellules. Premièrement, les cellules précurseurs s’organisent dans l’espace pour établir l’axe spatial de l’organe perpendiculaire à la surface de la peau. Ensuite, ces précurseurs se différencient en de nombreux types de cellules nécessaires à la formation des follicules pileux. Finalement, ces nouveaux types de cellules grandissent et se transforment en un follicule mature, se préparant à produire la mèche de cheveux.
La recherche compare en outre les follicules pileux de souris normales à des souris sans poils dépourvues d’un gène, Foxn1ce qui est essentiel à la croissance des cheveux. Cette comparaison pourrait aider les scientifiques à comprendre comment se développent les conditions médicales à l’origine de la chute des cheveux, ce qui pourrait conduire à de nouvelles façons de prévenir et de traiter la chute des cheveux à l’avenir, explique Luis Garza, MD, Ph.D., professeur de dermatologie à la faculté de médecine de l’université Johns Hopkins et co-auteur de l’article.
Les scientifiques recherchent depuis longtemps un moyen de visualiser le développement des organes au fil du temps. Cela pourrait conduire à une meilleure compréhension de la manière dont certaines maladies héréditaires peuvent affecter le développement des organes, ou à comprendre comment et quand les tumeurs se développent, et pourrait conduire à des diagnostics et des traitements plus précoces, explique Kalhor.
« Ce problème reste compliqué car les organes sont générés par des millions de cellules dans le cadre de processus très complexes et coordonnés », explique Soichiro Asami, premier auteur de l’article et titulaire d’un doctorat. candidat dans le laboratoire de Kalhor. « Nous avons développé une technologie qui résout le problème de la visualisation et l’avons appliquée aux follicules pileux, car il y en a des centaines à chaque étape du développement des organes. »
Les ingénieurs biomédicaux Kalhor et Asami se sont associés à Garza, qui étudie fréquemment Foxn1 souris comme modèle pour comprendre comment les troubles de la croissance des cheveux se développent et trouver de nouvelles façons de les traiter. Garza a fourni un contexte et des informations clés sur la biologie des follicules pileux et des échantillons de tissus provenant de souris normales et glabres dans cette étude récente.
Les chercheurs ont développé un nouvel outil d’imagerie moléculaire, le profilage d’expression amélioré par la 3D DNase (3DEEP), qui leur permet d’analyser des morceaux de tissu suffisamment grands pour capturer l’intégralité des organes du follicule pileux dans des échantillons de peau de souris normales et de souris chauves. 3DEEP élimine l’ADN génomique des échantillons de peau, ce qui peut interférer avec les réactions chimiques utilisées pour visualiser des fragments fragiles d’ARN messager essentiels à la compréhension du développement des organes. À partir de là, les chercheurs ont marqué les positions de millions de molécules d’ARN dans l’échantillon, fournissant ainsi une carte spatiale 3D précise de l’expression des gènes dans le tissu.
Ensuite, les scientifiques ont classé les types de cellules dans ces organes complexes, calculé l’âge moléculaire de chaque follicule pileux et aligné les follicules pileux du plus jeune au plus vieux, transformant ainsi des instantanés 3D figés de la peau de souris normales et sans poils en animation stop-motion 3D. Jean Fan, Ph.D., professeur adjoint de génie biomédical à Johns Hopkins, a créé une interface en ligne pour explorer et interagir avec cette animation.
« Ces outils nous montrent comment un follicule pileux passe d’un minuscule épaississement de la peau à une structure profonde et mature », explique Garza. « C’est une fenêtre sur l’organogenèse. »
En comparant les cartes d’échantillons de follicules pileux de souris normales et sans poils, les scientifiques affirment avoir déterminé que les follicules pileux de souris sans poils connaissaient un retard de développement au fur et à mesure de leur formation. Notamment, les cellules des follicules de souris sans poils étaient capables de proliférer, ou de se diviser et de croître, à un rythme plus élevé, mais avaient une capacité réduite à mûrir et à assumer des rôles spécifiques au bon moment, déstabilisant la chorégraphie délicate du développement de l’organe, explique Kalhor.
« Le Foxn1 « La mutation a entraîné une rupture de la communication cellulaire et du timing, provoquant l’effondrement structurel des organes du follicule pileux avant que les cheveux n’aient eu la chance de se former », explique Asami.
À l’avenir, Garza affirme que cette technique de visualisation du développement des follicules pileux pourrait potentiellement aider les chercheurs à comprendre la cause de certaines conditions de perte de cheveux chez l’homme.
« En fin de compte, si nous pouvons appliquer cette technologie aux gens, nous pourrons alors en apprendre énormément davantage sur chaque patient et aider à les traiter individuellement », explique Garza.
Outre Asami, Fan, Garza et Kalhor, un autre scientifique de Johns Hopkins, Chenshuo Yin, a contribué à cet article.
Le financement de cette recherche a été assuré par les National Institutes of Health (R01HG012357, U01HL156056), la Fondation Simons et la Fondation David & Lucile Packard.
