Une équipe scientifique financée par les Instituts nationaux de la santé (NIH) aux Etats-Unis a mis au point un modèle de laboratoire qui révèle comment les plasmocytes producteurs d’anticorps migrent, mûrissent et survivent au sein de la moelle osseuse humaine, principal site de ces cellules à longue durée de vie. Cette plateforme combine un organoïde mimant un ganglion lymphatique avec une puce tissulaire imitant la moelle osseuse, permettant ainsi aux scientifiques d’observer des étapes clés du développement des plasmocytes, jusqu’ici difficiles à étudier chez l’humain.
L’analyse des cellules présentes dans la puce tissulaire fournit de nouvelles informations essentielles qui font progresser notre compréhension du développement et de la fonction des plasmocytes. Ce modèle facilite également l’évaluation de nouvelles thérapies pour la prévention des infections, l’inhibition des allergies et la réduction des maladies auto-immunes. L’étude a été publiée dans la revue Science Advances.
« Cette plateforme de bioingénierie innovante offre un aperçu d’un aspect méconnu du fonctionnement du système immunitaire humain », a déclaré le Dr John H. Powers III, directeur par intérim de l’Institut national des allergies et des maladies infectieuses (NIAID) des NIH. « En reproduisant des éléments clés du système immunitaire dans ce système lymphoïde et de moelle osseuse sur puce, cet outil permet de recueillir de nouvelles connaissances que les modèles existants ne permettent pas d’acquérir. »
Les plasmocytes sont un élément important du système immunitaire. Ils produisent des anticorps qui contribuent à protéger contre les infections, mais un dysfonctionnement de cette production peut entraîner des maladies auto-immunes et des allergies. Leur prolifération excessive peut également provoquer un cancer du sang. Les plasmocytes à longue durée de vie présents dans la moelle osseuse sont essentiels au maintien de la production d’anticorps et de l’immunité à long terme après une infection ou une vaccination. Cependant, les mécanismes de migration et d’implantation de ces cellules dans la moelle osseuse, ainsi que leur maintien chez l’humain, restent encore mal compris.
« Notre approche consiste à résoudre des questions fondamentales et à développer des méthodes pour exploiter ces découvertes », explique Ankur Singh, docteur en sciences, professeur de bio-ingénierie titulaire de la chaire Carl Ring et directeur du Centre d’immuno-ingénierie de Georgia Tech, à Atlanta. « Notre étude s’intéresse notamment à la question fondamentale suivante : pourquoi, lorsque les lymphocytes B sont prêts à produire des anticorps, quittent-ils les ganglions lymphatiques, la rate et d’autres organes pour migrer vers la moelle osseuse et s’y installer ? Elle porte également sur le rôle de l’environnement médullaire dans l’orientation de ces cellules et leurs réponses à une réinfection. »
Singh dirige l’équipe de Georgia Tech qui a mis au point l’organoïde lymphoïde humain en isolant des lymphocytes B à partir de tissus amygdaliens et de sang humains, puis en les cultivant dans un microenvironnement mimant le tissu lymphoïde. Au cours de cette phase de recherche, son équipe a surmonté les difficultés liées à la culture des lymphocytes B et à la stimulation de leur différenciation en plasmocytes sécréteurs d’anticorps au sein de l’organoïde, en utilisant un virus de la grippe inactivé pour amorcer le processus. Cette méthode a permis de générer suffisamment de plasmocytes sécréteurs d’anticorps pour leurs expériences avec le système de moelle osseuse sur puce.
Le laboratoire de Krishnendu Roy, Ph.D., de l’université Vanderbilt, a conçu la puce de moelle osseuse en utilisant un microenvironnement vascularisé complexe basé sur la microfluidique qui imite de près les conditions trouvées dans la moelle osseuse humaine.
« Nous ne pourrons jamais reproduire toute la complexité du corps humain », a déclaré Roy. « Cependant, nous essayons d’imiter sa structure, ses fonctions biologiques fondamentales et ses microenvironnements spatiaux afin d’étudier le comportement d’organes humains dans ce modèle simplifié. »
Le modèle de moelle osseuse humaine sur puce est assemblé à l’intérieur d’une pile de plaques de plastique à 96 puits de 7,6 x 12,7 cm, chacune d’une épaisseur inférieure à 1,3 cm. L’intérieur de la puce est quadrillé de multiples canaux et recouvert d’un matériau gélatineux imitant la moelle osseuse et riche en nutriments et facteurs de croissance qui soutiennent la fonction et le maintien des plasmocytes.
Les différentes couches de la structure de la puce correspondent à une zone située à la périphérie de la cavité médullaire, appelée sous-niche endostéale, où les plasmocytes sont stockés jusqu’à leur activation. Le modèle reproduit également une zone plus profonde au centre de la moelle osseuse, appelée sous-niche périvasculaire, qui entoure un réseau de vaisseaux sanguins, où les plasmocytes prolifèrent et sont activés.
Le système de puce à moelle osseuse facilite l’imagerie des plasmocytes afin d’interpréter leur activité en réponse aux protéines de signalisation. Il permet également d’étudier de manière systématique l’effet des différentes niches biologiques au sein de la moelle osseuse sur la différenciation et la durabilité des plasmocytes.
« Il est quasiment impossible d’obtenir une haute résolution d’imagerie des plasmocytes dans la moelle osseuse humaine vivante », a déclaré Singh. « On peut obtenir une certaine résolution d’imagerie dans la moelle osseuse d’une souris, et c’est sur ce modèle que les recherches se sont concentrées jusqu’à présent. »
Le modèle organoïde peut être ensemencé avec des cellules provenant de populations de patients spécifiques afin d’étudier l’effet du vieillissement sur la fonction des plasmocytes, ou de personnes atteintes de maladies auto-immunes ou allergiques afin de comprendre comment les plasmocytes favorisant l’auto-immunité ou les allergies sont produits et maintenus.
Les chercheurs soulignent qu’il reste de nombreuses questions auxquelles ils souhaiteraient encore répondre, notamment pourquoi les lymphocytes B présentent un mode de migration intermittent et si ce mode de migration s’inscrit dans une migration continue au sein de la structure plus large de la moelle osseuse.
