Les scientifiques du Centre Princesse Máxima et de l’Institut Hubrecht ont développé des organoïdes cérébraux à partir de tissus cérébraux fœtaux humains, offrant ainsi de nouvelles perspectives sur le développement du cerveau et la modélisation des maladies. Ces organoïdes, reflet de la complexité du cerveau, pourraient révolutionner la recherche en neurologie et en oncologie. (Concept de l’artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Des scientifiques ont développé des mini-organes 3D à partir de tissu cérébral fœtal humain qui s’auto-organisent in vitro. Ces organoïdes cultivés en laboratoire ouvrent une toute nouvelle façon d’étudier le développement du cerveau. Ils offrent également un moyen précieux pour étudier le développement et le traitement de maladies liées au développement du cerveau, notamment les tumeurs cérébrales.
Les chercheurs utilisent différentes méthodes pour modéliser la biologie des tissus sains et des maladies en laboratoire. Il s’agit notamment de lignées cellulaires, d’animaux de laboratoire et, depuis quelques années, de mini-organes 3D. Ces soi-disant organoïdes ont des caractéristiques et un niveau de complexité qui permettent aux scientifiques de modéliser de près les fonctions d’un organe en laboratoire. Les organoïdes peuvent être formés directement à partir des cellules d’un tissu. Les scientifiques peuvent également « guider » les cellules souches – présentes dans les embryons ou dans certains tissus adultes – pour qu’elles se développent en l’organe qu’elles souhaitent étudier.
Progrès dans le développement des organoïdes cérébraux
Jusqu’à présent, les organoïdes cérébraux étaient cultivés en laboratoire en amenant des cellules souches embryonnaires ou pluripotentes à se développer en structures représentant différentes zones du cerveau. En utilisant un cocktail spécifique de molécules, ils tenteraient d’imiter le développement naturel du cerveau – la « recette » de chaque cocktail nécessitant de nombreuses recherches pour être développée.
Aujourd’hui, des scientifiques du Centre d’oncologie pédiatrique Princess Máxima et de l’Institut Hubrecht, tous deux basés à Utrecht, aux Pays-Bas, ont développé des organoïdes cérébraux directement à partir de tissus cérébraux fœtaux humains. L’étude a été publiée dans la prestigieuse revue Cellule aujourd’hui (lundi) et a été financé en partie par le Conseil néerlandais de la recherche.
Une image d’un organoïde de cerveau fœtal humain entier. Les cellules souches sont marquées par SOX2 (gris) et les cellules neuronales (TUJ1) sont codées par couleur du rose au jaune en fonction de la profondeur. Crédit : Centre Princesse Máxima, Institut Hubrecht/B Artegiani, D Hendriks, H Clevers
Les chercheurs, dirigés par le Dr Delilah Hendriks, le professeur Hans Clevers et le Dr Benedetta Artegiani, ont été surpris de constater que l’utilisation de petits morceaux de tissu cérébral fœtal plutôt que de cellules individuelles était vitale pour la croissance des mini-cerveaux. Pour développer d’autres mini-organes tels que l’intestin, les scientifiques décomposent normalement le tissu d’origine en cellules uniques. Au lieu de travailler avec de petits morceaux de tissu cérébral fœtal, l’équipe a découvert que ces morceaux pouvaient s’auto-organiser en organoïdes.
Les organoïdes cérébraux avaient à peu près la taille d’un grain de riz. La composition 3D du tissu était complexe et contenait un certain nombre de types différents de cellules cérébrales. Il est important de noter que les organoïdes cérébraux contenaient de nombreuses cellules gliales radiales externes, un type de cellule que l’on trouve chez les humains et chez nos ancêtres évolutionnaires. Cela souligne la similitude étroite des organoïdes avec le cerveau humain – et leur utilisation dans l’étude.
L’importance de la matrice extracellulaire
Les morceaux entiers de tissu cérébral produisent également des protéines qui constituent la matrice extracellulaire – une sorte d’« échafaudage » autour des cellules. L’équipe pense que ces protéines pourraient expliquer pourquoi les morceaux de tissu cérébral ont pu s’auto-organiser en structures cérébrales 3D. La présence d’une matrice extracellulaire dans les organoïdes permettra d’étudier plus en détail l’environnement des cellules cérébrales et ce qui se passe en cas de problème.
Une image zoomée d’une partie d’un organoïde du cerveau fœtal humain. Les cellules souches sont marquées par SOX2 (cyan) et les cellules neuronales (TUJ1) sont codées par couleur du rose au jaune en fonction de la profondeur. Crédit : Centre Princesse Máxima, Institut Hubrecht/B Artegiani, D Hendriks, H Clevers
Potentiel pour le développement du cerveau et la recherche sur le cancer
Les chercheurs ont découvert que les organoïdes dérivés des tissus conservaient diverses caractéristiques de la région spécifique du cerveau dont ils étaient issus. Ils ont répondu à des molécules de signalisation connues pour jouer un rôle important dans le développement du cerveau. Cette découverte suggère que les organoïdes dérivés des tissus pourraient jouer un rôle important dans le démêlage du réseau complexe de molécules impliquées dans le développement du cerveau.
Compte tenu de la capacité des organoïdes dérivés des tissus à se développer rapidement, l’équipe a ensuite étudié leur potentiel dans la modélisation du cancer du cerveau. Les chercheurs ont utilisé la technique d’édition génétique CRISPR-Cas9 pour introduire des défauts dans le gène bien connu du cancer TP53 dans un petit nombre de cellules des organoïdes. Au bout de trois mois, les cellules présentant un TP53 défectueux avaient complètement dépassé les cellules saines de l’organoïde, ce qui signifiait qu’elles avaient acquis un avantage de croissance, une caractéristique typique des cellules cancéreuses.
Ils ont ensuite utilisé CRISPR-Cas9 pour désactiver trois gènes liés à la tumeur cérébrale, le glioblastome : TP53, PTEN et NF1. Les chercheurs ont également utilisé ces organoïdes mutants pour examiner leur réponse aux médicaments anticancéreux existants. Ces expériences ont montré le potentiel des organoïdes pour la recherche sur les médicaments anticancéreux, en permettant de lier certains médicaments à des mutations génétiques spécifiques.
Quatre images zoomées de parties de différents organoïdes du cerveau fœtal humain. Différents marqueurs neuronaux sont colorés, décrivant leur hétérogénéité et leur architecture cellulaire. Crédit : Centre Princesse Máxima, Institut Hubrecht/B Artegiani, D Hendriks, H Clevers
Les organoïdes dérivés de tissus ont continué à croître dans une boîte pendant plus de six mois. Surtout, les scientifiques pourraient les multiplier, ce qui leur permettrait de cultiver de nombreux organoïdes similaires à partir d’un seul échantillon de tissu. Les mini-tumeurs présentant des modifications génétiques du glioblastome étaient également capables de se multiplier, conservant le même mélange de mutations. Cette fonctionnalité signifie que les scientifiques peuvent effectuer des expériences répétées avec les organoïdes dérivés de tissus, augmentant ainsi la fiabilité de leurs résultats.
Ensuite, les chercheurs visent à explorer davantage le potentiel de leurs nouveaux organoïdes cérébraux dérivés de tissus. Ils prévoient également de poursuivre leur travail avec les bioéthiciens – qui ont déjà participé à l’élaboration de cette recherche – pour guider le développement futur et les applications des nouveaux organoïdes cérébraux.
Points de vue des chercheurs principaux
Le Dr Benedetta Artegiani, chef du groupe de recherche au Centre Princess Máxima d’oncologie pédiatrique qui a codirigé la recherche, déclare :
« Les organoïdes cérébraux issus de tissus fœtaux constituent un nouvel outil inestimable pour étudier le développement du cerveau humain. Nous pouvons désormais étudier plus facilement la façon dont le cerveau en développement se développe et examiner le rôle des différents types de cellules et de leur environnement.
« Notre nouveau modèle cérébral dérivé de tissus nous permet de mieux comprendre comment le cerveau en développement régule l’identité des cellules. Cela pourrait également aider à comprendre comment des erreurs dans ce processus peuvent conduire à des maladies neurodéveloppementales telles que la microcéphalie, ainsi qu’à d’autres maladies pouvant découler d’un développement déraillé, notamment le cancer du cerveau chez l’enfant.
Le Dr Delilah Hendriks, chef de groupe affilié au Centre Princess Máxima d’oncologie pédiatrique, chercheuse postdoctorale à l’Institut Hubrecht et enquêteur Oncode, qui a codirigé la recherche, déclare :
« Ces nouveaux organoïdes dérivés de tissus fœtaux peuvent offrir de nouvelles informations sur ce qui façonne les différentes régions du cerveau et ce qui crée la diversité cellulaire. Nos organoïdes constituent un ajout important au domaine des organoïdes cérébraux, qui peuvent compléter les organoïdes existants fabriqués à partir de cellules souches pluripotentes. Nous espérons apprendre des deux modèles pour décoder la complexité du cerveau humain.
« Être capable de continuer à croître et à utiliser les organoïdes cérébraux issus des tissus fœtaux signifie également que nous pouvons apprendre autant que possible de ce matériel précieux. Nous sommes ravis d’explorer l’utilisation de ces nouveaux organoïdes tissulaires pour de nouvelles découvertes sur le cerveau humain.
Le professeur Hans Clevers, pionnier de la recherche sur les organoïdes et ancien chef de groupe de recherche à l’Institut Hubrecht et au Centre Princess Máxima d’oncologie pédiatrique et chercheur Oncode, a codirigé la recherche. Il dit:
« Avec notre étude, nous apportons une contribution importante aux domaines de la recherche sur les organoïdes et le cerveau. Depuis que nous avons développé les premiers organoïdes intestinaux humains en 2011, c’est formidable de voir que la technologie a vraiment décollé. Depuis, des organoïdes ont été développés pour presque tous les tissus du corps humain, sains et malades – y compris un nombre croissant de tumeurs infantiles.
« Jusqu’à présent, nous étions capables de dériver des organoïdes de la plupart des organes humains, mais pas du cerveau. C’est vraiment excitant que nous soyons désormais capables de franchir également cet obstacle. »
L’étude a été réalisée en collaboration avec le centre médical de l’université de Leiden, l’université d’Utrecht, l’université de Maastricht, l’université Erasmus de Rotterdam et l’université nationale de Singapour.
