Les cellules souches peuvent être amenées à s’auto-assembler en structures ressemblant à des embryons humains.

Yue Shao n’avait jamais rien vu de tel.

Il y a deux ans, Shao, ingénieur mécanicien doué pour la biologie, travaillait avec des cellules souches embryonnaires, celles dérivées d’embryons humains capables de former n’importe quel type de cellule. Alors qu’il expérimentait des façons d’amener les cellules à former des structures tridimensionnelles plus organisées en les faisant pousser dans des structures de gels mou, il cherchait des signes de tissu neural primitif.

Ce qui a attiré son attention, c’est que les cellules semblaient changer beaucoup plus rapidement que prévu – elles s’organisaient rapidement en un cercle asymétrique en quelques jours.

Qu’est-ce que c’était? Shao a Googlé pour voir s’il pouvait identifier la structure. C’est alors qu’il a atterri sur un site Web appelé The Virtual Human Embryo et a trouvé des photos au microscope d’embryons humains âgés de dix jours peu après l’implantation, fusionnés à la paroi utérine. Il y avait le début du sac amniotique et, à l’intérieur, le disque embryonnaire, ou le futur corps. Ils correspondaient à ce qu’il voyait.

Dans ce film microscopique, filmé sur quatre jours, les cellules souches s’auto-organisent de façon à imiter un embryon humain.

Shao en a informé ses collègues, une équipe mixte de biologistes et d’ingénieurs, à l’Université du Michigan. « Quand j’ai montré l’image à l’équipe, tout le monde m’ a dit: »Wow, nous devons trouver quoi faire », dit Shao. Ont-ils fabriqué un véritable embryon humain à partir de cellules souches? « A ce moment-là, nous avons commencé à être plus prudents. »

Les structures embryonnaires, comme l’a rapidement déterminé l’équipe, ne sont pas complètes et ne pourraient pas devenir une personne. Ils n’ont pas les types de cellules nécessaires pour fabriquer un placenta, un cœur ou un cerveau. Malgré tout, les « embryons » du Michigan sont suffisamment réalistes pour que le laboratoire les ait détruits en utilisant un bain de détergent ou de formaldéhyde pour s’assurer qu’ils ne se développent pas davantage.

Les travaux au Michigan s’inscrivent dans un essor plus important de la recherche sur les organoïdes – les scientifiques utilisent les cellules souches pour créer des amas de cellules qui ressemblent de plus en plus à des fragments du cerveau, des poumons ou de l’intestin. Maintenant, certains comme Shao trouvent qu’il est possible d’imiter l’embryon lui-même.
Cette année, par exemple, des chercheurs de Cambridge, au Royaume-Uni, ont construit une réplique convaincante d’un embryon de souris de six jours en combinant deux types de cellules souches. Ce groupe essaie maintenant de faire la même chose avec les cellules humaines, comme c’est le cas de quelques autres, dont un à l’Université Rockefeller de New York. Selon les scientifiques, ce qui est en train d’émerger, c’est une nouvelle technologie qu’ils appellent « embryologie synthétique » et qui, selon eux, pourrait leur permettre d’examiner en détail pour la première fois les fascinants chapitres d’ouverture du développement humain.

Cela a été difficile à faire parce que les embryons normaux ne grandissent pas plus d’une semaine dans un laboratoire. Les événements clés qui suivent sont en grande partie inaccessibles à la science: ils se produisent dans l’obscurité de l’utérus humain avant même que la plupart des femmes sachent qu’elles sont enceintes.

Le dispositif microfluidique utilisé à l’Université du Michigan pour cultiver des organoïdes à partir de cellules embryonnaires. Une dizaine d’organoïdes peuvent s’insérer dans chacun des petits canaux bleus.

De plus, la recherche sur les embryons humains réels est entravée par la politique de l’avortement, limitée par les lois de financement et limitée aux fournitures des cliniques de FIV. Aujourd’hui, en cultivant des embryons, les scientifiques voient une façon de contourner ces limites. Ils sont déjà en train de mettre à profit toute la gamme d’outils de laboratoire modernes – l’édition des gènes, l’optogénétique, les microscopes à haute vitesse – de façons qui leur permettent de répéter des centaines de fois une expérience ou, avec la magie génétique, de poser des milliers de questions à la fois.

Un résultat déjà obtenu par l’équipe du Michigan: une vidéo de gros plan spectaculaire des cellules souches qui s’auto-organisent en structures imitant les embryons.

Il est étonnant que les[cellules souches] aient cette capacité « , dit Jianping Fu, professeur à l’Université du Michigan dont Shao était étudiant au laboratoire d’ingénierie. Il dit que l’émergence de quelque chose avec la forme d’un embryon, et certaines de ses caractéristiques, a été « une surprise totale; je n’arrive toujours pas à y croire ». Mais ça montre que ces cellules se souviennent de ce qu’elles sont censées faire. »

Les scientifiques du Michigan ont maintenant l’intention de fabriquer des embryons par centaines. Ces tests pourraient être utilisés pour dépister les médicaments qui causent des anomalies congénitales, en trouver d’autres pour augmenter les chances de grossesse ou pour créer du matériel de départ pour les organes de laboratoire. Mais les querelles éthiques et politiques ne sont peut-être pas loin derrière. C’est une nouvelle frontière brûlante dans la science et la bioéthique. Et il semble probable que cela restera contesté pour les années à venir « , affirme Jonathan Kimmelman, membre de l’unité de bioéthique de l’Université McGill, à Montréal, et chef de file d’une organisation internationale de scientifiques spécialisés dans les cellules souches.

Qu’est-ce qui pousse vraiment dans le pot ? Il n’ y a pas de réponse facile à cela. En fait, personne ne sait même pas comment appeler ces nouvelles entités. En mars, une équipe de l’Université Harvard a proposé, dans un article intitulé « les entités humaines synthétiques à caractères embryonnaires », ou SHEEFS, des entités humaines synthétiques aux caractéristiques semblables à celles de l’embryon, dans un document avertissant que « beaucoup de nouvelles variétés » sont à l’horizon, y compris des mini-cerveaux réalistes.

Shao, qui poursuit sa formation au MIT, s’est plongé dans la question de l’éthique et est arrivé à ses propres conclusions. Très tôt dans notre recherche, nous avons commencé à nous demander pourquoi nous faisions cela. Est-ce vraiment nécessaire? Nous avons décidé que oui, nous essayons de développer une structure semblable à une partie de l’embryon humain qui est difficile à étudier autrement « , dit Shao. « Mais nous n’allons pas produire un embryon humain complet. Je ne peux pas considérer mes sentiments. Je dois penser à la société. »

D’autres scientifiques, cependant, sont déterminés à voir jusqu’où la science peut mener, y compris le forgeage du premier embryon humain complet à partir de cellules souches. C’est le cas d’Ali Brivanlou, un embryologiste qui dirige un laboratoire à l’Université Rockefeller, à New York. Mon but est de maximiser la modélisation, in vitro, du développement humain « , a écrit M. Brivanlou dans un courriel. « C’est pourquoi nous aimerions être aussi précis et complets que possible. »

Prendre forme…

Les cellules souches embryonnaires ont d’abord été isolées à partir d’embryons de FIV inutilisés d’un jour en 1998 par des scientifiques du Wisconsin. Au début, au cours des premiers jours, un embryon n’est guère plus qu’une masse de ces cellules identiques, en ardoise blanche. Leur spécialité: fabriquer tout autre type de cellule dans le corps. Dans l’optique d’éventuels traitements médicaux, les entreprises les ont utilisés pour produire des neurones et des cellules bêta qui répondent à l’insuline. Laissées seules dans un pot, elles se transforment spontanément en muscle cardiaque et commencent à battre.

Les scientifiques ont commencé à chercher des moyens d’inciter les cellules souches à former des tissus plus complexes et organisés, appelés organoïdes. Ces mini-organes ne sont pas le vrai truc. Au lieu de cela, ils sont beaucoup plus petits – la taille des grains de sable – et souvent moins sophistiqués. Mais ils peuvent quand même avoir des aspects de base, par exemple, les voies respiratoires ramifiées et les cils ondulés d’un poumon. L’an dernier, des chercheurs ont utilisé des organoïdes cérébraux pour montrer comment le virus Zika peut infecter les cellules cérébrales.

En 2014, de tels efforts ont commencé à produire des preuves que les cellules souches pourraient, si on leur donnait les bons indices, reproduire directement les premiers événements dans un embryon. Le laboratoire de Brivanlou a eu l’idée de recouper les cellules souches en petits points sur une surface micro-patronnée. Le fait de contenir les cellules a contribué à produire un effet surprenant. Ils ont développé une « strie primitive » organisée – une caractéristique d’un embryon humain de deux semaines quand les cellules posent le premier soupçon d’un plan corporel, décidant quel côté est à gauche et lequel est à droite.

Ces embryons n’étaient pas naturels. Ils étaient minces, cultivées comme une feuille plate, et leurs stries étaient des cercles, et non des lignes comme dans un véritable embryon. « Mais cela a mieux fonctionné que nous ne le pensions « , explique Aryeh Warmflash, professeur à l’université Rice, qui a dirigé l’expérience pendant qu’il travaillait chez Rockefeller. Ce que nous avons de plus en plus réalisé, c’est que les cellules sont programmées pour faire un embryon. C’est ce qu’elles veulent faire. Si les cellules sont dans la bonne forme, à la bonne densité, et que vous leur donnez le bon signal, les cellules prennent le relais, elles se parlent. »

Au Michigan, M. Fu explique que son laboratoire, en collaboration avec la biologiste du Michigan Deborah Gumicio, a réussi à mettre au point sa propre méthode de fabrication d’embryons presque par accident tout en étudiant si les signaux mécaniques, comme la croissance de cellules dans un gel souple ou collant, pourraient améliorer leur capacité à former certains tissus.

Une expérience consistait à encourager les cellules intestinales à former un kyste en forme de lumière, ou kyste creux. Comme expérience témoin, ils ont également cultivé des cellules souches embryonnaires de la même manière. C’est à ce moment-là que « le hasard s’est produit « , dit Fu. Les cellules souches se sont polarisées en sphères qui ont porté la similitude avec le début d’une cavité amniotique. C’est à ce moment-là que nous avons vu toutes les fascinantes caractéristiques d’auto-organisation « , dit Fu.

Questions éthiques

D’autres tests ont montré que les embryons ne représentaient qu’une partie de l’embryon. Bien qu’ils aient eu les débuts d’un sac amniotique, il leur manquait toute une lignée de cellules, appelée trophoblaste, dont le rôle est de fabriquer le placenta. Et à l’intérieur de l’amas de cellules constituant un embryon proprement dit, les chercheurs n’ont détecté qu’un seul des trois types de cellules clés nécessaires à la formation d’un corps complet.

Lorsque l’équipe a publié ses conclusions au début du mois d’août, elles sont passées pratiquement inaperçues. C’est peut-être parce que les scientifiques ont soigneusement choisi leurs mots, s’efforçant d’éviter les comparaisons avec des embryons. Shao a même utilisé le terme « kyste asymétrique » pour décrire les entités qui avaient tant surpris l’équipe. Nous devons être prudents en utilisant le terme embryon humain synthétique, car certaines personnes ne sont pas satisfaites « , dit Fu.

Un « embryoïde » créé à partir de cellules souches partage des caractéristiques clés avec un véritable embryon humain, comme un sac amniotique, mais manque d’autres éléments.

À l’heure actuelle, les scientifiques des États-Unis et du Royaume-Uni qui travaillent avec des embryons humains naturels observent une limite à leurs travaux appelée la « règle des 14 jours », c’est-à-dire qu’aucun embryon humain n’est étudié au-delà de deux semaines, ni passé lorsque les formes primitives se forment, selon la première éventualité. Avant cela, personne ne pense qu’ils ont une quelconque sensibilité et sont « incapables de ressentir la douleur » selon le rapport Warnock de 1984 qui a consacré la règle.

Depuis des décennies, cette règle offre une ligne de démarcation claire et pratique. Et les mêmes limites sont appliquées aux embryons, du moins pour l’instant. Suivant les directives promulguées l’an dernier par la société internationale de cellules souches de Kimmelman, l’équipe de Fu détruit les cellules cinq jours après leur fabrication. Cela empêche les structures de développer ce que les bioéthiciens appellent des « caractéristiques préoccupantes », comme un système nerveux primitif.

Mais les scientifiques sont prêts à faire valoir que leurs structures ne sont pas de vrais embryons et qu’ils devraient être capables de repousser les limites. Certains experts réclament la fin totale de cette règle, affirmant qu’elle est dépassée. John Aach, un scientifique de la Harvard Medical School, pense qu’il faudra de tout nouveaux bâtons de mesure éthique pour guider les tests des organoïdes. Par exemple, un cerveau miniature cultivé au laboratoire pourrait-il ressentir de la souffrance? Et notre définition de l’embryon peut-elle résister à la preuve que les laboratoires peuvent en faire de nouveaux types jamais vus auparavant? Toutes les grandes avancées scientifiques ont une manière de mettre en évidence l’imprécision des concepts communs et de forcer les gens à les repenser « , dit Aach.

Il y a encore une autre raison d’être prudent. Les États-Unis interdisent actuellement le financement fédéral de toute étude sur les embryons, peu importe la façon dont ils sont fabriqués, en vertu d’une loi appelée Dickey-Wicker Amendment.

Bien que les embryons d’aujourd’hui ne semblent pas être couverts par la restriction légale, ils pourraient l’être si les scientifiques les rendent suffisamment réalistes. En réponse à des questions écrites, le Bureau de la politique scientifique des Instituts nationaux de la santé, l’organisme de financement de 33 milliards de dollars par année, affirme qu’il a un processus interne qui lui permet d’analyser les subventions et de déterminer si  » la recherche proposée créerait un organisme répondant à la définition statutaire de l’embryon humain « .

Les scientifiques du Michigan, dont le projet a utilisé des fonds provenant de deux subventions du NIH, affirment que les responsables de l’agence n’ont pas soulevé d’objections jusqu’à présent. « Pour l’instant, les embryons vivent et meurent dans des boîtes en lucite et en métal et sont nourris avec un milieu de culture. En raison de la composante très lourde du génie pour ces entités, je pense que vous serez en mesure de soutenir qu’il ne s’agit pas d’organismes « , dit Hyun. C’est un point sur lequel Shao a cherché à insister aussi. Lorsque Shao a présenté les travaux du groupe cette année, il a ajouté à ses diapositives un énoncé d’éthique présenté dans une boîte jaune vif, disant que les embryons « n’ont pas de forme ou de potentiel d’organisme humain ».

Haut débit


Jianping Fu est professeur de génie mécanique à l’Université du Michigan.

M. Fu indique que l’étape suivante dans son laboratoire d’Ann Arbor consiste à perfectionner les procédures de fabrication d’embryons ayant des caractéristiques spécifiques et en plus grand nombre. Au début, sur 100 « kystes » que les scientifiques du Michigan ont cultivés, cinq seulement se sont retrouvés avec la forme asymétrique rappelant le sac amniotique. Mais ils ont déjà appris à faire émerger cette forme à chaque fois. La production d’embryons deviendra « programmable et évolutive », prédit Fu.

Les médicaments pourraient être testés sur les embryons, par exemple pour déceler ceux qui ont des effets toxiques et qui causent des anomalies congénitales. Fu espère que l’embryologie synthétique pourrait éventuellement aider les ingénieurs à développer des organes humains complets. « Je ne parle pas d’un corps humain sans cerveau. Mais ce qui est une vraie possibilité, c’est que vous pourriez développer un mini-rein ou un mini-foie, puisque l’embryon les développe aussi. Et si vous avez les organes primitifs, ils pourraient devenir fonctionnels « , prédit Fu. Le laboratoire a commencé à cultiver des embryons sur une puce de la taille d’une carte de crédit. Elle est traversée par six microcanaux, chacun accueillant 10 des entités, qui sont suspendus dans des hydrogels et alimentés en nutriments contenus dans des seaux miniatures. Fu l’appelle « fabrication à haut débit ».

De cette façon, dit-il, »tout peut être déclenché et maîtrisé. »

 

 

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