Le laboratoire de l’Université Rice reçoit une subvention de 1,9 million de dollars pour modéliser le développement ectodermique humain

De nombreuses malformations congénitales et avortements spontanés surviennent au cours du stade de développement embryonnaire connu sous le nom de neurulation, mais nous avons très peu d’informations sur la façon dont ce processus de développement critique se déroule chez l’homme.

Le laboratoire de l’Université Rice d’Aryeh Warmflash a reçu une subvention de 1,9 million de dollars sur cinq ans des National Institutes of Health pour optimiser et développer des modèles cellulaires expérimentaux qui peuvent faire la lumière sur les processus d’auto-organisation par lesquels les cellules ectodermiques donnent naissance au système nerveux central. système, la peau et les organes sensoriels.

Le laboratoire Warmflash utilisera une technique appelée micropatterning pour amener les colonies de cellules ectodermiques à s’auto-organiser et à se différencier de manière à refléter le développement embryonnaire. En concevant les cellules pour qu’elles expriment différents signaux fluorescents en fonction du type de signal protéique qu’elles utilisent pour communiquer, les scientifiques pourront suivre et quantifier les comportements d’auto-organisation des cellules.

La recherche pourrait éclairer les moyens de prévenir ou de contrer les malformations congénitales du système nerveux central résultant d’une neurulation anormale.

La question la plus fondamentale qui nous intéresse est de savoir ce qui guide le comportement des cellules à s’assembler dans les tissus de l’embryon.”

Aryeh Warmflash, professeur agrégé de biosciences et boursier de l’Institut de recherche et de prévention du cancer du Texas

Pour étudier cette question, Warmflash et ses collaborateurs ont utilisé le micropatterning et cultivé des cellules souches pluripotentes humaines pour développer des systèmes auto-organisés qui modélisent les processus cellulaires clés impliqués dans l’embryogenèse.

“La technologie de micropatterning n’est qu’un moyen de contrôler très précisément la géométrie dans laquelle ces colonies de cellules se développent”, a déclaré Warmflash. “Le micropatterning nous permet de prépatterniser la surface avec différentes modifications chimiques afin que nous puissions dire, ‘OK, nous voulons que les cellules restent ici et pas là.'”

Dans une culture de cellules souches standard, les cellules se développeront en amas de différentes tailles et se différencieront au hasard en une masse désorganisée et extrêmement hétérogène. Mais si le micropatterning est utilisé pour freiner la croissance aléatoire, les cellules se comportent d’une manière organisée qui reflète le comportement des cellules dans un embryon réel.

“Le développement des mammifères est un processus d’auto-organisation”, a déclaré Warmflash. “Ce que cela signifie, c’est qu’au départ, vous cultivez cette boule de cellules qui est une structure parfaitement symétrique parce que toutes les cellules qu’elle contient sont fondamentalement les mêmes.

“Ensuite, il y a des organismes où cette symétrie est déjà brisée. Par exemple, lorsque la maman mouche fabrique un œuf de mouche, cet œuf est déjà asymétrique : rien qu’en le regardant, vous pouvez savoir où va être la tête, etc.

“Dans l’embryon de mammifère ou humain, cette symétrie est initialement ininterrompue. Mais finalement, l’embryon doit comprendre” ce côté va être la tête et cela va être le dos “et ainsi de suite. Les cellules doivent se briser cette symétrie eux-mêmes. Nous voulons comprendre comment ils font cela.

Dans un embryon, les cellules ectodermiques se classent dans l’un des quatre «destins» cellulaires en tant que système nerveux, crête neurale, peau ou organes sensoriels. Avec le micropatterning, Warmflash et son équipe ont pu manipuler les signaux intracellulaires afin d’obtenir une distribution des destins cellulaires dans un schéma en œil de bœuf qui imite le schéma ectodermique le long de l’axe médio-latéral de l’embryon.

“Nous incitons les cellules à se différencier avec des signaux de structuration, puis elles découvrent comment s’organiser”, a déclaré Warmflash. “Ils disent:” OK, nous devons créer ces quatre destins différents -; les neurones vont être au centre et la peau va être au bord, avec les autres destins entre les deux. C’est l’axe médian à côté, mais il y a un autre axe qui se forme à peu près simultanément, qui est l’axe de la tête aux pieds.

“À l’heure actuelle, il n’y a pas vraiment de bons modèles pour la façon dont l’axe de la tête aux pieds du système nerveux se forme chez l’homme, qui modèle le système nerveux en régions très larges : un cerveau antérieur, le cerveau moyen, le cerveau postérieur et ensuite la moelle épinière. .”

Warmflash espère affiner le système afin de modéliser l’axe de développement de la tête aux pieds, “où au lieu de neurones contre la peau au bord de la colonie, le centre de la colonie sera les neurones du cerveau antérieur et au bord de la colonie, il y aura des neurones de la moelle épinière.

“Au lieu de représenter différents types d’ectodermes disposés le long de l’axe médio-latéral, la colonie représentera le système nerveux disposé le long de l’axe longitudinal de la structure embryonnaire. Nous nous intéressons à la façon dont les cellules communiquent pour le faire.”

En plus de ces cartes 2D des modèles cellulaires d’auto-organisation, Warmflash espère utiliser le système de modélisation de micropatterning pour étudier la morphogenèse, qui fait référence à la façon dont un tissu ou un organe occupe l’espace et développe sa forme spécifique.

“Dans ce modèle d’ectoderme, vous pouvez inciter les cellules à se replier dans la troisième dimension”, a déclaré Warmflash. “Et ils se referment en fait sur le dessus d’une manière très similaire à la façon dont le tube neural se ferme pendant le développement. Cela nous intéresse parce que vous avez une signalisation entre les cellules qui modifie à la fois le type de cellule qu’elles deviennent et influence également comment ils bougent et sont sculptés pour former un tissu fonctionnel.

“C’est peut-être très pertinent sur le plan clinique, car de nombreuses anomalies congénitales sont en fait des anomalies de fermeture du tube neural.”

Le système de modélisation pourrait être utilisé pour étudier les mutations qui provoquent des défauts de fermeture du tube neural, ouvrant la possibilité de déterminer comment prévenir ou remédier à de tels événements.

“On ne sait pas vraiment comment des mutations particulières conduisent à des défauts particuliers”, a déclaré Warmflash. “Mais ce sont des choses que nous pouvons étudier dans ces modèles dans le but, d’abord, de comprendre comment les choses se cassent, puis, espérons-le, de trouver comment empêcher ces choses de se produire.”