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Selon une étude, les cellules souches «mini-cerveau» ressemblent beaucoup au cerveau réel
La construction d'un modèle réaliste du cerveau humain est un élément crucial de la compréhension du développement du cerveau, ainsi que des troubles neurologiques tels que la maladie d'Alzheimer ou la maladie de Parkinson. En utilisant des cellules souches humaines, les chercheurs ont créé un modèle en trois dimensions du cerveau humain - et de nouvelles recherches examinent à quel point il est similaire à un cerveau réel.
Une nouvelle étude évalue la fonctionnalité d'un modèle cérébral tridimensionnel, présenté ici dans une section transversale fluorescente. Crédit d'image: Madeline Lancaster / Conseil de recherches médicales, Laboratoire de biologie moléculaire, Royaume-Uni.
Avoir un bon modèle du cerveau humain permet aux scientifiques d'étudier les troubles neurologiques, d'en savoir plus sur le développement et la fonction cérébrale et, peut-être même à l'avenir, de tester des médicaments expérimentaux avant leur entrée dans l'essai clinique.
Actuellement, les scientifiques utilisent généralement des modèles cérébraux 2D. Les derniers développements en matière de modélisation cérébrale incluent toutefois la création de tissus cérébraux fonctionnels à trois dimensions et de «mini-cerveaux» entiers à partir de cellules souches humaines.
Une nouvelle recherche étudie un tel modèle de mini-cerveau en trois dimensions et examine ses avantages par rapport à un modèle de cerveau en deux dimensions.
L'étude a été réalisée par des scientifiques de l'Institut Salk et les résultats ont été publiés dans la revue. Rapports de cellule.
Développements dans la modélisation du cerveau
La capacité de cultiver un cerveau entièrement à partir de cellules humaines n'est pas nouvelle, mais elle est assez récente et a été saluée par les auteurs de cette nouvelle étude comme "une véritable percée".
Les chercheurs de l'Institut Salk citent l'étude européenne de 2013, dans laquelle les scientifiques ont développé un modèle d'organoïdes cérébraux (CO) in vitro à partir de cellules souches embryonnaires et adultes. Les chercheurs ont ensuite placé les cellules dans un gel 3-D, où elles sont devenues des couches réalistes reflétant un cerveau humain réel.
Auparavant, les cellules souches embryonnaires avaient été transformées en cellules cérébrales à une seule couche dans une boîte de Pétri, mais cela présentait la limitation évidente d'être la 2-D au lieu du cerveau réel à trois dimensions.
Les modèles cérébraux bidimensionnels limités sont largement utilisés aujourd'hui, mais les chercheurs de l'institut Salk soulignent les avantages des modèles CO 3-D.
"Etre capable de faire croître des cellules cérébrales humaines en tant qu'organes tridimensionnels miniatures était une véritable percée", explique Joseph Ecker, auteur principal de la nouvelle étude, chercheur au Howard Hughes Medical Institute et professeur et directeur du Laboratoire d'analyse génomique de Salk. "Maintenant que nous avons un modèle structurellement réaliste, nous pouvons commencer à nous demander si cela est aussi réaliste sur le plan fonctionnel, en examinant ses caractéristiques génétiques et épigénétiques."
Évaluation des caractéristiques génétiques et épigénétiques des mini-cerveaux
Les chercheurs menés par Ecker ont comparé les premiers CO de développement au tissu cérébral réel au même stade de développement précoce.
L'équipe a créé des CO pour leur analyse en utilisant une lignée de cellules embryonnaires humaines appelée H9. Ils ont chimiquement induit les cellules dans une voie de développement neurologique pendant 60 jours.
Les chercheurs ont ensuite analysé l'épigénétique des mini-cerveaux en examinant les caractéristiques des marqueurs chimiques responsables de l'activation ou de la désactivation des gènes.
L'intérêt des chercheurs pour l'épigénétique provient des preuves de plus en plus nombreuses que les facteurs environnementaux, y compris l'alimentation ou le stress, jouent un rôle dans les maladies cérébrales telles que la schizophrénie.
Ecker et son équipe ont comparé leurs résultats aux tissus réels appariés en âge provenant de NeuroBioBank du NIH (National Institutes of Health) et d'autres données de modèles cérébraux 2D.
Modèles 3D très similaires aux vrais cerveaux
Bien que les CO aient été cultivés dans les laboratoires depuis trois ans, on ignorait auparavant comment ils se comportaient de la même façon jusqu'à ce que Ecker et son équipe les analysent dans leur nouvelle étude.
Les chercheurs ont constaté que les CO étaient beaucoup plus semblables aux tissus cérébraux réels que les modèles 2-D en termes de différenciation cellulaire et d'expression génique. Au début du développement, les mini-cerveaux se développent à un rythme très similaire à celui des cerveaux réels.
Sur le plan épigénétique, l’étude a montré que les modèles 3-D et 2-D présentaient des profils aberrants similaires, communs à toutes les cellules cultivées in vitro et in vivo. La signification de cette différence n’est pas encore claire, souligne Ecker, mais elle est très significative en termes de similitude entre un modèle et un véritable cerveau.
"Nos résultats montrent que les organites cérébraux, en tant que modèle 3D de la fonction cérébrale, se rapprochent plus d’un cerveau réel que les modèles 2-D, donc peut-être en utilisant le modèle épigénétique
Le premier auteur de l'article, Chongyuan Luo, souligne également la contribution de leur étude à la neurologie.
"Personne n'a fait de séquençage de l'épigénome pour les organites cérébraux auparavant. Ce type d'évaluation est si important pour comprendre le développement du cerveau, surtout si nous allons finalement utiliser ces tissus pour des thérapies neurologiques."
Chongyuan Luo
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