Percée dans le domaine de la culture cellulaire : Des "mini-cerveaux" perfectionnés dans un plat

"Les cellules de la glie radiale externe (oRG) sont des cellules souches du système nerveux qui jouent un rôle essentiel dans le développement du cortex humain et qui ont été difficiles à produire en laboratoire. Une équipe de chercheurs de Max Planck à Berlin a réussi à générer des organoïdes cérébraux enrichis de ces cellules souches en affinant et en normalisant les protocoles existants pour ces mini-organes.

Les organoïdes sont des cultures cellulaires tridimensionnelles avancées qui forment des versions miniatures de tissus tels que le foie, l'intestin, le cerveau ou certains types de cancers, et sont très prometteurs pour la science. Ils permettent de mener des recherches à grande échelle sur le développement, les maladies et les thérapies futures sans avoir besoin de recourir à un organisme complet. Mais il reste encore de nombreux obstacles à surmonter jusqu'à ce qu'un organoïde soit suffisamment similaire à un véritable organe ou à une partie de celui-ci.

Dans un article publié dans Nature Cell Biology, des scientifiques de l'Institut Max Planck de génétique moléculaire (MPIMG) indiquent qu'ils ont réussi à faire pousser des organoïdes ressemblant au cortex cérébral humain avec une cohérence et une qualité sans précédent. Ils ont amorcé les cellules souches avec un cocktail de trois potions chimiques pendant une courte période à un stade très précoce de leur développement, ce qui a incité les cellules souches à former, au cours des semaines suivantes, des agrégats cellulaires qui reproduisent anatomiquement la stratification du cortex humain. Parmi ces couches se sont développées des cellules de la glie radiale externe, des cellules souches spécialisées qui sont essentielles à l'expansion caractéristique des hémisphères cérébraux chez les humains et les singes. C'est la première fois que ces cellules ont été générées, enrichies et caractérisées avec succès dans un système de culture cellulaire.

"Étonnamment, il est assez facile de générer des organoïdes cérébraux en laboratoire par de nombreuses méthodes", explique Yechiel Elkabetz, chef de groupe de recherche au MPIMG à Berlin (Allemagne) et précédemment à l'université de Tel Aviv (Israël), qui a mené cette recherche. "Mais il est difficile d'y parvenir. Le défi consiste à créer une culture de cellules souches du système nerveux très pure au départ et à persuader ces cellules de construire des organoïdes neuraux multicouches avec les bons types de cellules aux bons endroits."

Instruire les bâtisseurs du cerveau

Les organoïdes neuraux peuvent être cultivés à partir d'échantillons de tissus, de cellules souches embryonnaires ou même de cellules souches pluripotentes induites, des cellules corporelles matures qui ont été programmées pour se transformer à nouveau au stade de cellules souches embryonnaires. Mais les résultats sont très variables en termes de procédures, de matériel source, et aussi entre les organoïdes d'un même plat.

"Non seulement les cultures d'organoïdes neuraux s'avèrent très hétérogènes, mais les cellules souches qui constituent ces organoïdes changent également au fil du temps", explique Sneha Arora, chercheuse dans le laboratoire d'Elkabetz et l'un des principaux auteurs de l'article. Elle souligne qu'il existe un certain nombre de protocoles largement utilisés qui "laissent" les cellules s'instruire d'elles-mêmes, avec des conseils partiels ou inexistants. "Si vous employez des constructeurs pour bâtir une série de maisons sans aucune instruction ou avec des instructions incomplètes, vous obtiendrez un bâtiment différent à chaque fois."

Trouver les instructions correctes pour les bâtisseurs du cerveau a mis au défi les laboratoires du monde entier pendant une décennie, et une variété de protocoles et de procédures ont émergé - chacun avec des résultats différents. Alors comment savoir quelle méthode est la bonne ? Elkabetz et ses collègues ont fait équipe avec plusieurs chercheurs du MPIMG afin de normaliser les techniques existantes et de mettre au point le protocole le plus avancé pour générer des organoïdes cérébraux qui ressemblent le plus possible au cortex cérébral humain.

Comme d'autres groupes avant eux, les chercheurs ont utilisé des inhibiteurs, des médicaments chimiques qui indiquent à la cellule en développement "ce en quoi elle ne doit pas se transformer", afin qu'elle finisse par choisir la bonne voie. Ils ont découvert qu'il fallait bloquer trois voies de signalisation différentes pour persuader les cellules souches de se transformer en cellules corticales quelques semaines plus tard. "Nous formons et déployons les meilleurs constructeurs pour nos organoïdes. Une fois que les cellules de départ sont créées et ont leurs instructions intégrées, nous ne faisons pas grand-chose de plus, et l'organoïde s'assemble tout seul, cette fois-ci correctement, ce qui fonctionne très bien", explique Arora.

"C'était un point essentiel de combiner le Dual-SMAD et l'inhibition de WNT, qui ont tous deux été utilisés séparément auparavant", ajoute Mme Arora. Selon elle, le moment et le dosage des médicaments sont cruciaux. "Au cours de la toute première phase et en huit jours seulement, nous avons généré une population initiale de cellules très homogène. Celles-ci se sont avérées être les meilleurs blocs de construction initiaux pour l'ensemble de l'organe."

Un protocole unifié

En partant d'un panel de différentes lignées cellulaires et d'approches méthodiques qui ont été comparées en parallèle, les chercheurs ont finalement réussi à générer de manière cohérente des organoïdes corticaux avec une précision sans précédent. "L'une des réalisations importantes de notre étude est que nous avons pu reproduire la diversité cellulaire dans chacun des organoïdes", explique Daniel Rosebrock, chercheur en informatique au laboratoire d'Elkabetz et au département de biologie moléculaire computationnelle du MPIMG et auteur principal de ce travail interdisciplinaire. "Alors que chaque organoïde était capable de conserver les nombreux types de cellules différents, il y avait peu de différence entre les organoïdes individuels." Les chercheurs l'ont confirmé par des colorations de tissus et par le séquençage de l'ARN des cellules individuelles.

"Tous protocoles et lignées confondus, les organoïdes fabriqués selon notre nouveau protocole présentaient à la fois les niveaux les plus élevés et les plus constants d'identité corticale", déclare Rosebrock. Ces résultats ont également des répercussions sur les modèles de maladies à base d'organoïdes : "Nous avons appris que la méthode de dérivation détermine la signification du phénotype d'une maladie dans un modèle organoïde."

Plusieurs maladies neurodéveloppementales telles que la microcéphalie ont été modélisées dans des organoïdes. Elles sont causées par des perturbations du processus hautement régulé du développement du cortex cérébral. Les cellules progénitrices neurales précoces doivent trouver un équilibre entre un degré suffisant d'autorenouvellement d'une part et une capacité de différenciation d'autre part. Il est donc impératif d'étudier ces processus dans la modélisation des maladies.

Percée en matière de culture cellulaire

Les scientifiques ont démontré que leurs organoïdes développent des cellules ORG, un type particulier de cellules souches neurales connues pour jouer un rôle essentiel dans le développement du cerveau chez l'homme et les singes. Elles sont à l'origine des énormes hémisphères corticaux du cerveau des primates.

"Nos cellules oRG deviennent progressivement les cellules souches les plus importantes de notre cerveau au cours de son développement", explique Elkabetz. Après une certaine période de croissance, ces cellules constituent une population majeure de cellules souches dans le cerveau. "Bien sûr, les cerveaux en développement des primates et des humains en particulier sont rarement accessibles aux chercheurs, et les cellules oRG cultivées représentent donc une grande opportunité pour la recherche sur le développement et pour de futures applications thérapeutiques."

Après 50 jours de croissance, les organoïdes de l'équipe sont considérablement enrichis de ce type de cellules souches. "Nous avons mis au point une méthode pour générer et enrichir les cellules oRG dans le plat d'une manière robuste et cohérente qui n'a pas été décrite auparavant", explique Elkabetz. "Il s'agit d'une réalisation assez importante. Nous allons enfin pouvoir créer des modèles plus significatifs de maladies comme la microcéphalie, plus proches de la réalité d'un organe réel."

Ces résultats constituent une plateforme sur laquelle s'appuyer, pour de futures applications en recherche fondamentale, en tests pharmacologiques ou en clinique, conclut le scientifique : "Nous fournissons une base solide pour la génération de cellules souches neurales capables de former la riche diversité cellulaire, qui est la caractéristique du cortex. Nous pensons que cela conduira à des modèles de maladies organoïdes qui feront progresser la recherche de façon majeure."