Une équipe de scientifiques, dirigée par des chercheurs de l’Université Northwestern, de Shirley Ryan AbilityLab et de l’Université de l’Illinois à Chicago (UIC), a développé une nouvelle technologie promettant de mieux comprendre comment les cerveaux se développent et d’offrir des réponses sur la réparation des cerveaux à la suite d’un neurotraumatisme. et les maladies neurodégénératives.
Leur recherche est la première à combiner les systèmes bioélectroniques 3D les plus sophistiqués avec des cultures neuronales humaines 3D très avancées. L’objectif est de permettre des études précises sur la manière dont les circuits cérébraux humains se développent et se réparent in vitro. L’étude est la couverture du numéro du 19 mars de Progrès scientifiques.
Les sphéroïdes corticaux utilisés dans l’étude, apparentés aux «mini-cerveaux», étaient dérivés de cellules souches pluripotentes induites par l’homme. En s’appuyant sur un système d’interface neuronale 3D que l’équipe a développé, les scientifiques ont pu créer un «mini laboratoire dans un plat» spécialement conçu pour étudier les mini-cerveaux et collecter différents types de données simultanément.
Les scientifiques ont incorporé des électrodes pour enregistrer l’activité électrique. Ils ont ajouté de minuscules éléments chauffants pour maintenir les cultures cérébrales au chaud ou, dans certains cas, surchauffer intentionnellement les cultures pour les stresser. Ils ont également incorporé de minuscules sondes – telles que des capteurs d’oxygène et de petites lumières LED – pour effectuer des expériences optogénétiques. Par exemple, ils ont introduit des gènes dans les cellules qui leur ont permis de contrôler l’activité neuronale à l’aide d’impulsions lumineuses de différentes couleurs.
Cette plateforme a ensuite permis aux scientifiques de réaliser des études complexes sur les tissus humains sans impliquer directement les humains ni effectuer de tests invasifs. En théorie, toute personne pourrait donner un nombre limité de ses cellules (par exemple, échantillon de sang, biopsie cutanée).
Les scientifiques peuvent ensuite reprogrammer ces cellules pour produire un minuscule sphéroïde cérébral qui partage l’identité génétique de la personne. Les auteurs estiment qu’en combinant cette technologie avec une approche de médecine personnalisée utilisant des cultures de cerveau dérivées de cellules souches humaines, ils seront en mesure de recueillir des informations plus rapidement et de générer de meilleures interventions novatrices.
«Les progrès stimulés par cette recherche offriront une nouvelle frontière dans la façon dont nous étudions et comprenons le cerveau», a déclaré le Dr Colin Franz de Shirley Ryan AbilityLab, co-auteur principal de l’article qui a dirigé les tests des sphéroïdes corticaux. «Maintenant que la plate-forme 3-D a été développée et validée, nous serons en mesure de réaliser des études plus ciblées sur nos patients en convalescence après une lésion neurologique ou aux prises avec une maladie neurodégénérative.
Ce n’est que le début d’une toute nouvelle classe de systèmes bioélectroniques 3D miniaturisés que nous pouvons construire pour étendre la capacité du domaine de la médecine régénérative. Par exemple, notre prochaine génération d’appareils soutiendra la formation de circuits neuronaux encore plus complexes du cerveau au muscle, et de tissus de plus en plus dynamiques comme un cœur qui bat. «
Yoonseok Park, co-auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral, Northwestern University
Les réseaux d’électrodes actuels pour les cultures de tissus sont 2D, plats et incapables de correspondre aux conceptions structurelles complexes trouvées dans la nature, telles que celles trouvées dans le cerveau humain. De plus, même lorsqu’un système est en 3D, il est extrêmement difficile d’incorporer plus d’un type de matériau dans une petite structure 3D. Avec cette avancée, cependant, toute une classe de dispositifs bioélectroniques 3D a été conçue pour le domaine de la médecine régénérative.
« Désormais, grâce à notre petite électronique 3D souple, la capacité de construire des appareils qui imitent les formes biologiques complexes trouvées dans le corps humain est enfin possible, offrant une compréhension beaucoup plus holistique d’une culture », a déclaré John Rogers de Northwestern, qui a dirigé le développement technologique en utilisant une technologie similaire à celle que l’on trouve dans les téléphones et les ordinateurs. « Nous n’avons plus à compromettre la fonction pour obtenir la forme optimale d’interfaçage avec notre biologie. »
Dans une prochaine étape, les scientifiques utiliseront ces appareils pour mieux comprendre les maladies neurologiques, tester des médicaments et des thérapies qui ont un potentiel clinique et comparer différents modèles cellulaires dérivés de patients. Cette compréhension permettra alors une meilleure compréhension des différences individuelles qui peuvent expliquer la grande variation des résultats observés dans la réadaptation neurologique.
«En tant que scientifiques, notre objectif est de rendre la recherche en laboratoire aussi pertinente que possible sur le plan clinique», a déclaré Kristen Cotton, assistante de recherche dans le laboratoire du Dr Franz. « Cette plate-forme 3D ouvre la porte à de nouvelles expériences, découvertes et avancées scientifiques en médecine de neuroréadaptation régénérative qui n’ont jamais été possibles. »
La source:
Référence du journal:
Park, Y., et al. (2021) Interfaces neuronales multifonctionnelles tridimensionnelles pour les sphéroïdes corticaux et les assembloïdes d’ingénierie. Progrès scientifiques. doi.org/10.1126/sciadv.abf9153.