Explorer le passé, le présent et l’avenir des organoïdes cérébraux

UNneurobiologiste du développement à l’Université Harvard, Paola Arlotta passe la plupart de son temps à réfléchir au développement du cerveau, à son fonctionnement et à ce qui ne va pas dans le contexte d’une maladie neurologique. L’utilisation d’organoïdes du cerveau humain comme modèle pour le développement du cerveau et la recherche sur les maladies a changé la donne, offrant à Arlotta une nouvelle vision des pathologies cérébrales qui se forment in utero.

Pourquoi les modèles centrés sur l’humain sont-ils importants pour comprendre le cerveau ?

Le cortex cérébral humain a évolué pour être très différent de celui d’autres animaux tels que les rongeurs, qui sont généralement utilisés par les chercheurs pour comprendre le développement normal et la pathologie du cerveau. De nombreux médicaments qui devraient cibler le cerveau humain et traiter les maladies humaines échouent une fois arrivés aux essais cliniques. Cela est dû en partie au fait qu’ils ont été développés à l’aide de modèles animaux et que le cerveau de la souris n’est pas le cerveau humain. Le cerveau humain possède des spécialisations qui le rendent unique, notamment dans la manière dont les cellules et les circuits réagissent aux traitements ou aux perturbations.

Des études génétiques sur des maladies neuropsychiatriques et neurodéveloppementales complexes ont montré que la majorité des patients atteints de ces maladies présentent des mutations dans plus d’un gène. Il existe de petites différences dans le génome qui augmentent la probabilité de développement de la maladie. Il s’agit de maladies du génome humain, les chercheurs ne peuvent donc pas les modéliser dans des cellules portant le génome de la souris. Nous avons besoin du cerveau humain, mais de rares échantillons de cerveau post-mortem ou de petits échantillons de biopsie prélevés lors d’une intervention chirurgicale ne sont pas des modèles expérimentaux car ils ne peuvent pas faire croître davantage de cerveau. Ces échantillons ne montrent qu’un instantané de la région cérébrale spécifique d’où ils proviennent chez des patients individuels.

Comment la recherche sur le cerveau a-t-elle évolué ces dernières années ?

Le domaine des organoïdes du cerveau humain a débuté il y a un peu plus de 10 ans, lorsque des chercheurs, dont Yoshiki Sasasi à l’École supérieure de médecine de l’Université de Kyoto et Juergen Knoblich et Madeline Lancaster à l’Institut de biotechnologie moléculaire de l’Académie autrichienne des sciences a produit les premiers exemples de tissus de type cérébral à partir de cellules souches en utilisant des signaux de culture cellulaire 3D qui pilotent le développement neuronal.^1,2 À partir de là, de nombreux groupes, dont le nôtre, ont découvert comment étendre ce processus à partir de simples tissus jusqu’à des cultures pouvant se développer sur de longues périodes. C’est ce qu’il faut pour créer une structure complexe avec différents types de cellules, réseaux et synapses qui se déclenchent correctement. C’est comme regarder un film sur le développement d’une cellule souche jusqu’à une réplique cérébrale sous la forme d’un organoïde. Parallèlement à cette incroyable avancée s’est produite la révolution de la génomique unicellulaire. Les scientifiques peuvent désormais séquencer et comprendre l’empreinte moléculaire de chaque cellule de n’importe quel tissu. Ces développements nous ont donné l’opportunité d’étudier des tissus que nous ne connaissions pas très bien.

Comment les organoïdes cérébraux se comparent-ils aux vrais cerveaux ?

Le développement du cerveau est comme une symphonie dans laquelle de nombreux instruments doivent jouer ensemble en harmonie.
–Paola Arlotta, Université Harvard

Chaque fois qu’un embryon est créé, il passe par les mêmes étapes de développement pour créer des caractéristiques similaires. La composition cellulaire de mon cerveau sera similaire à la vôtre. Ce n’était pas le cas pour les organoïdes au début ; nous ne pouvions pas prédire comment ils allaient se dérouler. Pour que les organoïdes humains soient des modèles expérimentaux pour le développement du cerveau, nous devions nous assurer que le processus de formation dans n’importe quel laboratoire était reproductible et que chaque organoïde cérébral passait par le même processus de développement pour produire quelque chose de composition cellulaire identique.

Nous disposons désormais de modèles organoïdes fiables et proches du cerveau endogène. Nous devions trouver des conditions de culture qui contrôleraient l’auto-organisation cellulaire, la différenciation et toutes les étapes intermédiaires. À une résolution de cellule unique, nous avons comparé les données d’un atlas cellulaire provenant d’échantillons de cerveau humain fœtal en développement à nos données. organoïdes et j’ai découvert qu’ils étaient similaires.³

Vous avez récemment utilisé des organoïdes cérébraux pour étudier le risque génétique de trouble du spectre autistique. Comment est né ce projet ?

Ce fut l’un des travaux les plus difficiles que nous ayons jamais réalisés en termes de difficulté technique et analytique. Une équipe de chercheurs postdoctoraux de mon laboratoire a décidé de travailler ensemble pour découvrir quelque chose d’inconnu sur risque génétique de trouble du spectre autistique.⁴ Nous avons commencé avec trois mutations rares et uniques dans différents gènes associés au risque d’autisme, mais personne ne savait quels processus dans le cerveau elles affectaient. Nous avons cultivé des organoïdes avec le même bagage génétique à partir de cellules souches avec ou sans les différentes mutations. Ensuite, nous avons utilisé le séquençage d’ARN unicellulaire et le test de chromatine accessible à la transposase avec séquençage (ATAC-Seq) pour examiner l’expression des gènes dans des types de cellules spécifiques et le moment de la production cellulaire.

Qu’avez-vous appris sur le développement du cerveau et les troubles du spectre autistique grâce à ce modèle ?

Quelques éléments surprenants sont apparus qui nous ont laissés perplexes. Certains types de cellules ou populations de neurones au sein des organoïdes étaient systématiquement affectés par les trois mutations. En outre, il semblait que le moment où les neurones étaient fabriqués était erroné. Il y a eu une période au début du développement des organoïdes où les mutants produisaient les cellules soit trop rapidement, soit trop lentement.

Le développement du cerveau est comme une symphonie dans laquelle de nombreux instruments doivent jouer ensemble en harmonie. Si un instrument joue plus vite ou plus lentement que les autres instruments, la musique qu’il produit est différente. Au cours du développement, si une cellule se forme trop tôt ou trop tard, le cerveau fonctionnera différemment et les circuits des réseaux neuronaux pourraient ne pas fonctionner correctement. Sans organoïdes, nous n’aurions jamais pu comprendre les premiers événements de développement qui se produisent au cours du deuxième trimestre de la grossesse ou même plus tôt.

De nombreuses maladies neurodéveloppementales ont probablement des problèmes avec leurs réseaux neuronaux. Comprendre comment fonctionne un circuit et quelles propriétés de circuit peuvent être anormales en cas de maladie peut offrir l’opportunité de développer des médicaments pour corriger ces différences. Les organoïdes humains deviennent désormais des plates-formes cellulaires sur lesquelles nous pouvons dépister des médicaments présentant un défaut associé à une maladie.

Où va la recherche sur les organoïdes cérébraux à l’avenir ?

Les organoïdes permettent désormais d’étudier de nombreux cerveaux de nombreuses personnes différentes. Non seulement mon cerveau est différent de celui d’une souris, mais mon cerveau est également différent du vôtre. Ainsi, lorsque je cultive un organoïde à partir de la cellule souche d’un individu, je n’ai que le génome de cet individu. La réalité est que nous sommes génétiquement distincts et que nous réagissons différemment aux médicaments.

Nous avons récemment produit un organoïde humain que nous avons appelé Chiméroïde, que nous avons généré à partir de cellules souches de différentes personnes.⁵ En traitant les chiméroïdes avec des médicaments ou en créant des perturbations, nous pouvons comparer les réponses de certaines cellules du cerveau d’une personne à celle d’une autre. Ce type de données biologiques peut alimenter des modèles génératifs pour prédire comment les cellules d’un individu réagiront à un médicament, par exemple, avant même de se lancer dans un essai clinique. Dans un monde d’intelligence artificielle et de modélisation, ces données peuvent améliorer notre compréhension des maladies et du développement de médicaments. C’est ce qui est passionnant pour l’avenir, et tout cela est né de cette capacité à entraîner une cellule souche à devenir un tissu cérébral, puis à améliorer ce système au fil des ans.

Cette interview a été condensée et éditée pour plus de clarté.

Les références

1. Kadoshima T, et al. Auto-organisation de la polarité axiale, de la configuration des couches inversées et de la dynamique des progéniteurs spécifiques à l’espèce dans le néocortex dérivé des cellules ES humaines. PNAS. 2013;110(50):20284-20289.
2. Lancaster MA, et al. Les organoïdes cérébraux modèlent le développement du cerveau humain et la microcéphalie. Nature. 2013;501(7467):373-379.
3. Uzquiano A, et al. L’acquisition correcte de l’identité de la classe cellulaire dans les organoïdes permet de définir des programmes de spécification du destin du cortex cérébral humain. Cellule. 2022;185(20):3770-3788.e27.
4. Pigoni M, et al. Les défauts spécifiques au type cellulaire dans les organoïdes corticaux mutants PTEN convergent vers une activité anormale du circuit. Hum Mol Genet. 2023;32(18):2773-2786.
5. Bolaños NA, et al. Les chiméroïdes corticaux humains multi-donneurs révèlent une susceptibilité individuelle aux déclencheurs neurotoxiques. BioRxiv Publié en ligne le 6 octobre 2023 : 2023.10.05.558331.