Des scientifiques de l’ETH Zurich ont défriché un terrain inconnu en cultivant en laboratoire plus de 400 types de cellules nerveuses à partir de cellules souches. Ils dépassent ainsi les tentatives précédentes, qui n’avaient permis de produire que quelques dizaines de cellules. Grâce à des expériences systématiques avec des combinaisons de morphogènes et de régulateurs de gènes, les chercheurs sont parvenus à reproduire l’énorme diversité des neurones du cerveau humain. Cette avancée est très prometteuse pour l’étude des maladies neurologiques telles que les maladies d’Alzheimer et de Parkinson, pour le développement de modèles plus précis pour les tests de médicaments et même, à terme, pour les thérapies de remplacement des neurones.
Diversité des différents types de neurones
Les cellules nerveuses ne sont pas de simples neurones. Selon les calculs les plus récents, il existe plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de types de cellules nerveuses différents dans le cerveau humain, en fonction de la finesse de la distinction que nous opérons. Ces types de cellules se distinguent par leur fonction, par le nombre et la longueur de leurs prolongements cellulaires et par leurs connexions entre elles. Elles sécrètent différents messagers dans nos synapses et, selon la région du cerveau – par exemple dans le cortex cérébral ou le mésencéphale -, différents types de cellules sont actifs.
Lorsque, par le passé, les scientifiques produisaient des neurones à partir de cellules souches dans des boîtes de Pétri pour leurs expériences, il n’était pas possible de tenir compte de leur énorme diversité. Jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient développé que des méthodes permettant de cultiver in vitro quelques dizaines de types de cellules nerveuses différents. Ils y sont parvenus à l’aide du génie génétique ou en ajoutant des molécules de signalisation pour activer certaines voies de signalisation cellulaires. Mais ils n’ont jamais pu approcher la diversité de centaines ou de milliers de types de cellules nerveuses qui existent réellement.
Le criblage systématique, clé du succès
“Les neurones obtenus à partir de cellules souches sont souvent utilisés pour la recherche sur les maladies. Mais jusqu’à présent, les chercheurs ont souvent ignoré les types de neurones précis avec lesquels ils travaillaient”, explique Barbara Treutlein, professeur au département des sciences et techniques des biosystèmes de l’EPFZ à Bâle. Selon elle, ce n’est toutefois pas la meilleure approche pour de tels travaux. “Si nous voulons développer des modèles de culture cellulaire pour des maladies et des troubles tels que la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la dépression, nous devons tenir compte du type spécifique de neurones concernés”.
Treutlein et son équipe ont maintenant réussi à produire plus de 400 types différents de cellules nerveuses. Les scientifiques ont ainsi ouvert la voie à une recherche fondamentale neurologique plus précise avec des essais de culture cellulaire. Les chercheurs de l’EPFZ y sont parvenus en travaillant avec une culture de cellules souches pluripotentes induites humaines, obtenues à partir de cellules sanguines. Dans ces cellules, ils ont activé certains gènes régulateurs neuronaux à l’aide du génie génétique et ont traité les cellules avec différents morphogènes, une classe spéciale de molécules de signalisation. Treutlein et son équipe ont procédé de manière systématique et ont utilisé sept morphogènes dans différentes combinaisons et concentrations lors de leurs expériences de criblage. Ils ont ainsi créé près de 200 conditions expérimentales différentes.
Les morphogènes sont des messagers bien connus de la recherche embryonnaire. Ils ne sont pas répartis uniformément dans l’embryon, mais sont présents en différentes concentrations et forment des modèles spatiaux. De cette manière, ils déterminent la position des cellules dans l’embryon, par exemple si une cellule se trouve près de l’axe du corps ou dans le dos, le ventre, la tête ou le tronc. Les morphogènes contribuent donc à déterminer ce qui se développe et où dans l’embryon. Grâce à différentes analyses, les chercheurs ont pu démontrer qu’ils avaient créé plus de 400 types différents de cellules nerveuses dans leur expérience. Ils ont examiné l’ARN (et donc l’activité génétique) au niveau des cellules individuelles ainsi que l’aspect extérieur des cellules et leur fonction : par exemple, quel type de prolongements cellulaires elles avaient et en quelle quantité, et quelles impulsions nerveuses électriques elles émettaient.
Les chercheurs ont ensuite comparé leurs données avec des informations provenant de bases de données sur les neurones du cerveau humain. Ils ont ainsi pu identifier les types de neurones générés, par exemple ceux présents dans le système nerveux périphérique ou dans les cellules cérébrales, ainsi que la partie du cerveau d’où ils proviennent, et s’ils perçoivent la douleur, le froid ou le mouvement, et ainsi de suite.
Recherche sur les maladies neurologiques graves
Treutlein précise qu’il reste encore un long chemin à parcourir avant que tous les types de cellules nerveuses qui existent puissent être fabriqués in vitro. Néanmoins, les chercheurs ont désormais accès à un nombre beaucoup plus important de types de cellules différents qu’auparavant. Ils souhaitent utiliser les cellules nerveuses in vitro pour développer des modèles de culture cellulaire pour l’étude de maladies neurologiques graves telles que la schizophrénie, la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson, l’épilepsie, les troubles du sommeil et la sclérose en plaques. De tels modèles de culture cellulaire sont également d’un grand intérêt pour la recherche pharmaceutique, afin de tester l’effet de nouvelles substances actives dans des cultures cellulaires sans recourir à l’expérimentation animale, dans le but de pouvoir un jour guérir ces maladies.
À l’avenir, les cellules pourraient également être utilisées pour la thérapie de remplacement cellulaire, qui consiste à remplacer les cellules nerveuses malades ou mortes du cerveau par de nouvelles cellules humaines. Mais avant que cela ne soit possible, un défi doit encore être relevé : Dans leurs expériences, les chercheurs ont souvent produit un mélange de plusieurs types de cellules nerveuses différents. Ils travaillent maintenant à optimiser leur méthode de manière à ne produire qu’un seul type de cellules dans les conditions de l’expérience. Ils ont déjà des idées sur la manière d’y parvenir.