Une nouvelle méthode de culture des cellules cérébrales humaines pourrait élucider les mystères de la démence, des maladies mentales et d’autres troubles neurologiques

Madeline Lancaster porte un plat en plastique transparent à la lumière, une douzaine d’amas tissulairs de la taille d’une petite perle baroque se balancent dans un liquide couleur pêche. Il s’agit d’organoïdes cérébraux, qui possèdent certaines caractéristiques du cerveau humain au cours du premier trimestre de développement, y compris les lobes du cortex. Les groupes de tissus humains ne sont pas exactement des « cerveaux qui poussent dans un plat », comme on les appelle parfois. Mais ils ouvrent une nouvelle perspective sur la façon dont les neurones se développent et fonctionnent, et ils pourraient modifier notre compréhension de tout, des activités cérébrales de base aux causes de la schizophrénie et de l’autisme.

Avant de se développer dans une de ces soucoupes de laboratoire, un organoïde cérébral commence par le prélèvement d’une seule cellule cutanée chez un adulte. Avec la bonne sollicitation biochimique, cette cellule peut être transformée en une cellule souche pluripotente induite (celle qui peut mûrir) puis en un neurone. Cela permet de faire des choses qui étaient auparavant impossibles. Maintenant, les scientifiques peuvent voir directement comment les réseaux de cellules cérébrales humaines vivantes se développent et fonctionnent, et comment elles sont affectées par divers composés médicamenteux ou modifications génétiques. Et parce que ces mini-cerveaux peuvent être cultivés à partir des cellules d’une personne spécifique, les organoïdes pourraient servir de modèles d’une précision sans précédent pour un large éventail de maladies. Qu’est-ce qui ne va pas, par exemple, dans le cas des neurones dérivés directement d’une personne atteinte de la maladie d’Alzheimer?

La perspective de trouver des réponses à ces questions incite les entreprises pharmaceutiques et les chercheurs universitaires à rechercher des collaborations avec Lancaster et Jürgen Knoblich, dont le laboratoire de l’Institut de biotechnologie moléculaire (IMBA) à Vienne, en Autriche, est l’endroit où Lancaster a développé les organoïdes en tant que post-doctorante. La première de ces collaborations a consisté en une enquête sur la microcéphalie, un trouble caractérisé par une petite taille cérébrale, avec Andrew Jackson de l’Université d’Edimbourg. Utilisant des cellules dérivées d’un patient atteint de microcéphalie, l’équipe a cultivé des organoïdes qui partageaient des caractéristiques communes avec le cerveau du patient. Ensuite, les chercheurs ont remplacé une protéine défectueuse associée à la maladie et ont pu cultiver des organoïdes qui semblaient partiellement guéris.

« Ce n’est que le débu »t, dit Lancaster. Des chercheurs comme Rudolph Jaenisch du MIT et Guo-li Ming de Johns Hopkins commencent à utiliser des organoïdes du cerveau pour étudier l’autisme, la schizophrénie et l’épilepsie. Ce qui rend les organoïdes cérébraux particulièrement utiles, c’est que leur croissance reflète les aspects du développement du cerveau humain. Les cellules se divisent, prennent les caractéristiques du cervelet, par exemple, elles se regroupent en couches et commencent à ressembler aux structures tridimensionnelles discrètes d’un cerveau. Si quelque chose se passe mal en cours de route – ce qui est observable au fur et à mesure que les organoïdes croissent – les scientifiques peuvent rechercher des causes potentielles, des mécanismes et même des traitements médicamenteux.

La percée dans la création de ces organoïdes s’est produite dans le cadre d’un projet parallèle. D’autres chercheurs avaient déjà cultivé des neurones en laboratoire et, comme eux, Lancaster a commencé par utiliser ces tests pour « jouer » avec les cellules souches neuronales – celles qui se forment dans les neurones et d’autres cellules du système nerveux. « Parfois », dit-elle, » j’obtien des cellules souches neuronales qui ne restent pas vraiment dans le 2D, et qui finissent par se développer en 3D-et au lieu de les ignorer ou de les jeter, je me suis dit « cool, voyons ce qui se passerait si je les laissais continuer à grandir… ». Mais il y avait un défi majeur : comment garder le tissu au centre des organoïdes nourris sans l’alimentation de l’organisme ? La solution de Lancaster consistait à encapsuler chaque organoïde dans une matrice connue pour nourrir les cellules, à mettre une douzaine de ces organoïdes dans un bain nutritif et à tout secouer pour garder les organoïdes immergés dans la nourriture cellulaire.


Une partie tachée d’un organoïde est vue en gros plan.

Depuis la publication de sa méthode, Lancaster a poussé le tissu cérébral à des niveaux de complexité plus élevés avec les neurones à des stades ultérieurs de développement. Le nombre d’applications possibles augmente avec chaque avancement. La perspective que les organoïdes cérébraux puissent résoudre le plus profond des mystères: que se passe-t-il dans notre cerveau pour nous différencier des autres animaux?
« Je suis surtout intéressée, dit-elle, à découvrir ce qui nous rend humains. »

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