Plus de 400 types différents de cellules nerveuses ont été cultivés, soit beaucoup plus que jamais auparavant
Les modèles de culture cellulaire avec ce type de cellules sont intéressants pour la recherche sur les maladies, ainsi que pour tester de nouveaux médicaments dans le cadre de la recherche pharmaceutique
Pour la première fois, des chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi à produire des centaines de types différents de cellules nerveuses à partir de cellules souches humaines dans des boîtes de Petri. À l'avenir, il sera donc possible d'étudier les troubles neurologiques en utilisant des cultures cellulaires plutôt que des tests sur les animaux.
Les cellules nerveuses ne sont pas seulement des cellules nerveuses. Selon les calculs les plus récents, il existe plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de types de cellules nerveuses dans le cerveau humain, en fonction de la finesse de la distinction. Ces types de cellules varient dans leur fonction, dans le nombre et la longueur de leurs appendices cellulaires et dans leurs interconnexions. Ils émettent différents neurotransmetteurs dans nos synapses et, selon la région du cerveau - par exemple, le cortex cérébral ou le mésencéphale - différents types de cellules sont actifs.
Dans le passé, lorsque les scientifiques produisaient des cellules nerveuses à partir de cellules souches dans des boîtes de Petri pour leurs expériences, il n'était pas possible de tenir compte de leur grande diversité. Jusqu'à présent, les chercheurs n'avaient mis au point que des procédures permettant de cultiver in vitro quelques dizaines de types différents de cellules nerveuses. Ils y sont parvenus en recourant au génie génétique ou en ajoutant des molécules de signalisation pour activer des voies de signalisation cellulaires particulières. Cependant, ils n'ont jamais été en mesure d'atteindre la diversité de centaines ou de milliers de types de cellules nerveuses qui existe réellement.
"Les neurones dérivés de cellules souches sont fréquemment utilisés pour étudier les maladies. Mais jusqu'à présent, les chercheurs ont souvent ignoré avec quels types précis de neurones ils travaillaient", explique Barbara Treutlein, professeur au département de science et d'ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle. Cependant, ce n'est pas la meilleure approche pour ce type de travail. "Si nous voulons développer des modèles de culture cellulaire pour des maladies et des troubles tels que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la dépression, nous devons prendre en considération le type spécifique de cellule nerveuse impliquée."
La clé du succès : le criblage systématique
Treutlein et son équipe ont maintenant réussi à produire plus de 400 types différents de cellules nerveuses. Ce faisant, les scientifiques ont ouvert la voie à une recherche neurologique fondamentale plus précise grâce à des expériences de culture cellulaire.
Les chercheurs de l'ETH sont parvenus à ce résultat en travaillant avec une culture de cellules souches pluripotentes induites humaines générées à partir de cellules sanguines. Dans ces cellules, ils ont utilisé le génie génétique pour activer certains gènes régulateurs neuronaux et ont traité les cellules avec divers morphogènes, une classe spéciale de molécules de signalisation. Treutlein et son équipe ont adopté une approche systématique, en utilisant sept morphogènes dans différentes combinaisons et concentrations dans leurs expériences de criblage. Ils ont ainsi obtenu près de 200 séries de conditions expérimentales différentes.
Les chercheurs ont utilisé diverses analyses pour prouver qu'ils avaient produit plus de 400 types différents de cellules nerveuses dans leur expérience. Ils ont examiné l'ARN (et donc l'activité génétique) au niveau des cellules individuelles, ainsi que l'aspect extérieur des cellules et leur fonction : par exemple, quel type d'appendice cellulaire elles possédaient en quelle quantité et quelles impulsions nerveuses électriques elles émettaient.
Les chercheurs ont ensuite comparé leurs données avec des informations provenant de bases de données de neurones du cerveau humain. Ils ont ainsi pu identifier les types de cellules nerveuses créées, comme celles du système nerveux périphérique ou les cellules cérébrales, la partie du cerveau d'où elles proviennent, si elles perçoivent la douleur, le froid ou le mouvement, etc.
Des neurones in vitro pour la recherche de principes actifs
Treutlein précise qu'ils sont encore loin de produire tous les types de cellules nerveuses qui existent in vitro. Néanmoins, les chercheurs ont désormais accès à un nombre beaucoup plus important de types de cellules qu'auparavant.
Ils aimeraient utiliser les cellules nerveuses in vitro pour développer des modèles de culture cellulaire permettant d'étudier des maladies neurologiques graves, telles que la schizophrénie, la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, l'épilepsie, les troubles du sommeil et la sclérose en plaques. Les modèles de culture cellulaire de ce type présentent également un grand intérêt pour la recherche pharmaceutique, car ils permettent de tester les effets de nouveaux composés actifs dans des cultures cellulaires sans avoir recours à l'expérimentation animale, dans le but ultime de pouvoir un jour guérir ces affections.
À l'avenir, les cellules pourraient également être utilisées pour la thérapie de remplacement cellulaire, qui consiste à remplacer les cellules nerveuses malades ou mortes du cerveau par de nouvelles cellules humaines.
Mais il reste un défi à relever : les chercheurs ont souvent produit un mélange de plusieurs types de cellules nerveuses dans leurs expériences. Ils s'efforcent à présent d'optimiser leur méthode afin que chaque condition expérimentale ne produise qu'un type de cellule spécifique. Ils ont déjà quelques premières idées sur la manière d'y parvenir.
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Publication originale
Hsiu-Chuan Lin, Jasper Janssens, Benedikt Eisinger, Philipp Hornauer, Ann-Sophie Kroell, Malgorzata Santel, Maria Pascual-Garcia, Ryoko Okamoto, Kyriaki Karava, Zhisong He, Marthe Priouret, Manuel Schröter, J. Gray Camp, Barbara Treutlein; "Human neuron subtype programming via single-cell transcriptome-coupled patterning screens"; Science, Volume 389
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