Les scientifiques des matériaux de l’UNSW Sydney ont montré que les cellules souches pluripotentes humaines dans un laboratoire peuvent initier un processus ressemblant à la phase de gastrulation – où les cellules commencent à se différencier en de nouveaux types de cellules – bien plus tôt que dans la nature mère.
Pour un embryon se développant dans l’utérus, la gastrulation se produit au jour 14. Mais dans un plat dans un laboratoire du campus de Kensington de l’UNSW, le professeur agrégé Scientia Kris Kilian a supervisé une expérience où un événement de type gastrulation a été déclenché dans les deux jours suivant la culture de cellules souches humaines. dans un biomatériau unique qui, en fin de compte, a créé les conditions pour imiter cette étape du développement de l’embryon.
“La gastrulation est l’étape clé qui mène au plan du corps humain”, déclare A / Prof. Kilian.
“C’est le début du processus où une simple feuille de cellules se transforme pour constituer tous les tissus du corps – les nerfs, les tissus cardiovasculaires et sanguins et les tissus structurels comme les muscles et les os. Mais nous n’avons pas vraiment été en mesure d’étudier le processus chez l’homme parce que vous ne pouvez pas l’étudier en laboratoire sans prendre de tissu embryonnaire en développement.”
“C’est donc vraiment excitant que nous ayons pu voir cela se produire in vitro.”
L’exploit, qui a été rapporté aujourd’hui dans le journal Sciences avancéesa non seulement des implications pour notre compréhension du développement embryonnaire humain, mais également de nouveaux traitements en médecine, notamment la thérapie cellulaire, le développement de médicaments ciblés et les technologies d’édition de gènes CRISPR.
Le moment le plus important de votre vie
Le biologiste du développement Lewis Wolpert a dit un jour : “Ce n’est pas la naissance, le mariage ou la mort, mais la gastrulation qui est vraiment le moment le plus important de votre vie.” La gastrulation est l’événement clé du développement d’un embryon lorsqu’une masse de cellules indifférenciées entament les premières étapes d’un long voyage dans l’utérus vers la formation d’un être humain. C’est l’une des raisons pour lesquelles il est interdit de travailler sur les embryons laissés par la FIV au-delà de 14 jours, moment de la gastrulation.
A/Prof Kilian dit que jusqu’à présent, il a été difficile d’étudier ce processus chez l’homme en raison de contraintes éthiques évidentes.
“Le contrôle de la gastrulation à l’aide de matériaux seuls fournira une toute nouvelle façon d’étudier le développement humain”, dit-il.
“Nous ne pouvons pas le faire actuellement car la recherche sur les embryons au-delà de 14 jours est souvent considérée comme contraire à l’éthique, et c’est actuellement impossible Direct parce que vous auriez besoin d’observer un embryon chez une mère humaine enceinte.”
Mais alors qu’il existe des modèles animaux à étudier – comme les souris et le poisson zèbre – et que d’autres chercheurs ont induit des événements de type gastrulation en laboratoire en utilisant des produits chimiques, y compris des facteurs de croissance, c’est la première fois que les conditions de culture seules ont initié une gastrulation en dehors d’un être humain. corps.
“Notre méthode pourrait conduire à une nouvelle approche pour imiter l’embryogenèse humaine en dehors d’une personne”, a déclaré le professeur A / Kilian.
Organes miniatures et épissage de gènes CRISPR
Dans les sciences médicales, la capacité d’induire la gastrulation dans des embryons “synthétiques” comme ceux créés par l’équipe de l’UNSW pourrait également aider à créer des tissus corporels ou même des organes miniatures basés sur le propre code génétique d’un patient. Ces soi-disant «organoïdes», qui sont à peine visibles à l’œil nu, sont déjà développés à l’aide de cellules souches pour la recherche médicale, comme tester l’efficacité de certains médicaments. Mais le processus nécessite des produits chimiques pour stimuler les cellules à former des tissus d’organes différenciés, ce qui prend du temps et coûte cher.
Prof. Selon Kilian, contrôler la gastrulation en utilisant uniquement des matériaux hydrogel pour stimuler ce qui se passe naturellement pourrait être une solution plus rapide et plus rentable.
“Ce qui nous passionne vraiment à ce sujet, c’est le potentiel de rendre les cellules thérapeutiquement utiles beaucoup plus rapides et plus reproductibles”, déclare A / Prof. Kilian.
“Notre méthode pourrait fournir un moyen d’initier ‘l’organogenèse’ – avec un ensemble de centaines d’agrégats cellulaires bien définis dans un seul puits – conduisant à des structures plus rapides et mieux définies qui pourraient ensuite être transformées en cerveau, foie, intestin, potentiellement tout tissu d’organe solide.
“Cette approche pourrait également révolutionner le développement de médicaments, y compris les approches ARN et CRISPR/Cas9, en fournissant un moyen plus reproductible d’imiter les tissus humains dans un laboratoire. Par exemple, vous pouvez créer un organoïde à partir des cellules d’un patient, puis tester des thérapies visant à corriger des mutations ou fonction de restauration.”
Une maison hydrogel est parfaite
Le secret du succès du travail de l’équipe de l’UNSW en laboratoire réside dans la structure de la culture dans laquelle les cellules souches ont été ensemencées. À l’aide d’une technique adaptée de l’industrie des semi-conducteurs, des régions définies sont fabriquées à travers un hydrogel auquel les cellules peuvent adhérer. Cette combinaison de confinement géométrique et du gel mou qui imite la surface d’un utérus humain incite les cellules à démarrer des processus de type gastrulation.
“Nous avons découvert que si vous prenez des cellules souches pluripotentes et que vous les placez dans un environnement très confiné et doux, cela s’apparente à ce que les cellules pourraient ressentir dans l’utérus d’une mère”, explique A / Prof. Kilian.
“Ce matériau viscoélastique, doux et spongieux leur donne juste assez d’indices pour qu’ils initient ce processus de type gastrulation tout seuls.”
Cela contraste fortement avec la pratique standard utilisée plus récemment dans les laboratoires qui force un type de processus de gastrulation utilisant des facteurs de croissance et des suppléments chimiques sur des plats en plastique dur ou en verre.
“Sans surprise, les recherches précédentes sur la culture de cellules souches sur du verre ou du plastique n’ont pas réussi à récapituler les signaux qui se produisent dans un corps. Mais en utilisant nos substrats mous imitant le tissu embryonnaire, nous pouvons amadouer les cellules pour qu’elles s’organisent dans l’espace et commencent la morphogenèse précoce qui pourrait finalement créer une personne.”
Mais, Prof. Kilian met en garde, bien que l’équipe ait découvert les conditions qui imitent la première étape de la gastrulation, cela ne semble pas aller plus loin.
“Nous ne pouvons pas faire une personne de cette façon”, dit-il.
« Cette méthode ne démontre que l’étape précoce, mais très cruciale du développement. L’impact réside dans la capacité d’étudier cette étape très importante du développement humain et d’utiliser les structures générées pour développer des thérapies.
La sérendipité peut être une grande partie de la découverte
Comme pour la plupart des grandes découvertes scientifiques, la sérendipité a joué un rôle. L’équipe ne cherchait pas activement à déclencher la gastrulation lorsqu’elle a déposé des cellules souches sur le substrat d’hydrogel.
L’auteur principal, le Dr Pallavi Srivastava, a été surpris par ce qu’elle a observé.
“Au départ, j’essayais de faire en sorte que les cellules souches se fixent à nos hydrogels et je prévoyais de les différencier de manière conventionnelle”, dit-elle.
“La différence entre les cellules cultivées sur verre et celles sur nos gels était très frappante. Je me souviens avoir pensé, ‘wow, quelque chose se passe ici. Je dois enquêter’. Cela a conduit à un grand changement dans mon projet, et finalement à ce passionnant Découverte.”
Les chercheurs espèrent pouvoir continuer à explorer les avantages de leur découverte en comprenant comment les matériaux peuvent guider l’embryogenèse et au-delà. Prof. Kilian dit que bien que cette découverte soit passionnante, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour guider les processus de type gastrulation afin de former des tissus utiles.
“C’est vraiment la première étape de ce que nous espérons être une plate-forme technologique pour produire des modèles de tissus utiles. Le déclenchement de la gastrulation ne suffit pas – nous devons maintenant fournir d’autres signaux pour maintenir la différenciation.”
La découverte du prochain ensemble de signaux de matériaux peut permettre la création de pratiquement n’importe quel tissu solide à des fins de recherche, A / Prof. dit Kilian, et pour générer des types de cellules utiles pour la médecine régénérative.
“Étant donné que les cellules souches pluripotentes peuvent désormais être générées à partir d’échantillons de sang ou de tissus, l’avenir est grand ouvert pour la régénération des tissus et des organes à partir des propres cellules d’un patient.”
