Des scientifiques construisent le premier modèle de tissu cérébral 3D fonctionnel

Les chercheurs s’efforcent depuis longtemps d’atteindre une meilleure compréhension du cerveau humain, mais ils ont trouvé cela difficile, compte tenu de la complexité de l’organe et des difficultés à étudier sa physiologie dans un corps vivant. Maintenant, des chercheurs de l'université de Tufts à Medford, au Massachusetts, ont créé un modèle de tissu 3D capable d'imiter les fonctions cérébrales.
Cette image microscopique montre des neurones (jaunes) attachés à l'échafaud à base de soie (bleu).
Crédit d'image: Tufts University

L’équipe de recherche, dont l’auteur principal, David Kaplan, PhD, professeur à la famille Stern et directeur du génie biomédical à la Tufts School of Engineering, explique que ce modèle ouvre la voie à de nouvelles études sur les fonctions cérébrales, les traumatismes et les traitements.

Ils ont récemment publié leurs conclusions dans Les actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS).

Pour étudier la fonction des neurones du cerveau, les chercheurs les cultivent actuellement dans des boîtes de Pétri. Mais la structure compliquée du tissu cérébral - constitué de zones ségrégées de matière grise et blanche - ne peut pas être dupliquée avec ces neurones 2D.

La matière grise est principalement constituée de corps cellulaires neuronaux et la substance blanche est constituée de faisceaux de fibres nerveuses ou axones. Ces axones sont responsables de la transmission des signaux entre les neurones.

Lorsque le cerveau est sujet à des dommages ou à une maladie, la matière grise et la matière blanche sont affectées de différentes manières, ce qui signifie que des modèles de tissu cérébral sont nécessaires pour étudier séparément chacune de ces zones.

"Il y a peu de bonnes options pour étudier la physiologie du cerveau vivant, mais c'est peut-être l'un des plus grands besoins cliniques non satisfaits lorsque l'on considère la nécessité de nouvelles options pour comprendre et traiter un large éventail de troubles neurologiques associés au cerveau , dit Kaplan.

Les scientifiques ont récemment tenté de créer des tissus cérébraux fonctionnels en faisant croître des neurones dans des environnements de gel de collagène 3D uniquement, mais sans succès. De tels modèles sont morts rapidement et n'ont pas réussi à produire une fonction de niveau de tissu suffisamment forte.

Mais l’équipe de Tufts a trouvé un moyen de créer des tissus cérébraux fonctionnels en 3D qui incorporent non seulement des régions grises et de la substance blanche séparées, mais qui peuvent aussi vivre plus de 9 semaines.

Comment le tissu cérébral 3D a-t-il été créé?

Kaplan et ses collègues ont tout d'abord combiné deux biomatériaux: une protéine de soie et un gel à base de collagène. La protéine de soie agissait comme un échafaudage spongieux auquel les neurones étaient attachés, tandis que le gel favorisait la croissance des fibres nerveuses.

Les chercheurs ont ensuite coupé l'échafaud spongieux en forme de beignet et l'ont colonisé avec des neurones de rat, avant de remplir le milieu du beignet avec le gel à base de collagène, qui s'est infiltré dans tout l'échafaud.

L'équipe a découvert que les neurones créaient des réseaux fonctionnels autour des sorties d'échafaudage en quelques jours seulement, et que les fibres nerveuses traversaient le gel au milieu du beignet pour se connecter aux neurones de l'autre côté. Cela a créé des régions distinctes de matière grise et blanche.

Les chercheurs ont ensuite mené une série d'expériences sur le tissu cérébral en 3D afin de tester la santé et la fonction de ses neurones et de les comparer aux neurones développés en utilisant la méthode 2D existante ou dans un environnement de gel uniquement.

Kaplan et ses collègues ont trouvé une expression plus élevée des gènes impliqués dans la croissance et le fonctionnement des neurones dans le tissu cérébral 3D.

Les neurones cultivés dans le tissu cérébral de type 3D ont présenté une activité métabolique stable pendant près de 5 semaines, alors qu'une telle activité dans les neurones cultivés dans un environnement de gel seulement a commencé à s'estomper en 24 heures. En outre, l'activité électrique et la réactivité similaires à celles observées dans le cerveau intact ont été observées dans les neurones tissulaires en forme de cerveau 3D.

Commentant cette création, Rosemarie Hunziker, PhD, directrice du programme d'ingénierie tissulaire à l'Institut national d'imagerie biomédicale et de génie biologique, qui a financé l'étude, a déclaré:

"Ce travail est un exploit exceptionnel. Il combine une compréhension approfondie de la physiologie du cerveau avec une vaste gamme d'outils de bioingénierie en pleine croissance pour créer un environnement à la fois nécessaire et suffisant pour imiter les fonctions cérébrales."

Le modèle pourrait améliorer les études sur la fonction cérébrale, les blessures et les maladies

Au fur et à mesure que le tissu cérébral en 3D semblait fonctionnel, l’équipe a voulu voir si leur modèle pouvait être utile pour étudier les lésions cérébrales traumatiques (TCC).

Ils ont simulé un TBI en déposant des poids sur le modèle à partir de différentes hauteurs. Ils ont constaté que l'activité chimique et électrique dans les neurones du tissu changeait suite à une TBI, ce qui, selon les chercheurs, est similaire aux observations rapportées dans les études animales sur le TBI.

Selon Kaplan, cette découverte montre que le modèle tissulaire 3D semblable au cerveau pourrait constituer un moyen plus efficace d’étudier les lésions cérébrales.

"Avec le système que nous avons, vous pouvez essentiellement suivre la réponse des tissus à une lésion cérébrale traumatique en temps réel", explique-t-il. "Plus important encore, vous pouvez aussi commencer à suivre les réparations et ce qui se passe sur de longues périodes."

Mais les avantages de ce modèle ne s'arrêtent pas là. Kaplan note que le tissu cérébral a survécu pendant plus de deux mois, ce qui signifie qu'il pourrait permettre aux chercheurs de mieux comprendre une série de troubles cérébraux:

"Le fait que nous puissions maintenir ce tissu pendant des mois en laboratoire signifie que nous pouvons commencer à examiner les maladies neurologiques autrement que parce que de longues périodes de temps sont nécessaires pour étudier certaines des principales maladies du cerveau."

"Les bons modèles permettent des hypothèses solides qui peuvent être testées à fond.L'espoir est que l'utilisation de ce modèle pourrait conduire à une accélération des traitements pour le dysfonctionnement cérébral et offrir une meilleure façon d'étudier la physiologie normale du cerveau », ajoute M. Hunziker.

Les chercheurs disent qu'ils prévoient maintenant de modifier le modèle pour le rendre encore plus similaire au cerveau. Ils ont déjà constaté qu'ils pouvaient ajuster l'échafaudage en beignet pour incorporer six anneaux, chacun pouvant être colonisé par des neurones différents. Selon l'équipe, cela simulerait les six couches du cortex cérébral humain.

L'année dernière, Nouvelles médicales aujourd'hui rapporté sur une étude publiée dans la revue La nature, révélant comment les scientifiques ont réussi à développer des "mini-cerveaux" à partir de cellules souches.

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