Un jumeau numérique révèle comment les cellules oculaires perdent leur organisation, principale cause de perte de vision.
Des chercheurs des Instituts nationaux de la santé (NIH) aux Etats-Unis ont mis au point une réplique numérique de cellules oculaires essentielles, offrant ainsi un nouvel outil pour étudier l’organisation de ces cellules, tant à l’état sain que pathologique. Cette plateforme ouvre de nouvelles perspectives pour la découverte de traitements contre les maladies oculaires graves telles que la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA), principale cause de perte de vision chez les personnes de plus de 50 ans.
« Ce travail représente le tout premier jumeau numérique à résolution subcellulaire d’une cellule primaire humaine différenciée, démontrant comment l’œil est un terrain d’expérimentation idéal pour développer des méthodes qui pourraient être utilisées plus généralement dans la recherche biomédicale », explique Kapil Bharti, Ph.D., directeur scientifique du National Eye Institute (NEI) des NIH.
Les chercheurs ont créé un jumeau numérique 3D très détaillé, basé sur des données, des cellules de l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR), qui jouent un rôle essentiel dans le recyclage et le soutien des photorécepteurs sensibles à la lumière dans la rétine. Dans des maladies comme la DMLA, les cellules de l’EPR meurent, ce qui entraîne à terme la mort des photorécepteurs et, par conséquent, une perte de vision.
Pour que les cellules de l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR) remplissent correctement leurs multiples fonctions, elles nécessitent une polarité axiale : leur face supérieure (apicale) est tournée vers les photorécepteurs, où elles recyclent quotidiennement les composants usés de ces derniers. Leur face inférieure (basale) est en contact avec la vascularisation, ce qui leur permet d’absorber les nutriments et l’oxygène et d’éliminer les déchets.
Des chercheurs ont construit le jumeau numérique à partir de cellules RPE produites au NEI à partir de cellules souches pluripotentes induites (iPS) développées par l’Allen Institute for Cell Science de Seattle. Les données d’imagerie 3D de 1,3 million de cellules RPE, issues de près de 4 000 champs de vision, ont été collectées à l’aide d’un microscope confocal automatisé.
À partir des données d’imagerie, les chercheurs ont entraîné un algorithme d’intelligence artificielle (IA) baptisé POLARIS (Polarity Organization with Learning-Based Analysis for RPE Image Segmentation) afin de reconnaître le noyau et d’autres structures cellulaires, ainsi que la forme et le volume de la cellule. Des données de segmentation 3D (étiquettes attribuées aux voxels de l’image) ont été générées à différents stades du développement cellulaire.
Les chercheurs se sont particulièrement intéressés à la polarité, quantifiant la taille et la forme de la cellule, ses organites et ses structures cytosquelettiques, notamment la localisation spatiale 3D à différents stades de développement. Ils ont constaté que les cellules RPE saines et en développement suivent une trajectoire prévisible vers un état polarisé.
L’atlas des cellules RPE polarisées et non polarisées qui en résulte, piloté par l’IA, fournit aux chercheurs une référence pour étudier comment les maladies affectent les cellules RPE aux niveaux cellulaire et subcellulaire, ce qui pourrait être une avancée majeure pour la découverte de traitements thérapeutiques.
« L’approche du jumeau numérique représente un nouvel outil puissant pour le développement de traitements contre la DMLA et pourrait être adaptée à l’étude d’autres maladies et affections oculaires et non oculaires affectant la polarité cellulaire », a déclaré Bharti.
« En combinant l’intelligence artificielle et la modélisation mathématique, nous avons ouvert une fenêtre sur des processus cellulaires jusque-là invisibles », explique Davide Ortolan, Ph.D., chercheur au NEI et premier auteur de l’étude. « Cette technologie nous aide non seulement à comprendre ce qui se passe dans la DMLA, mais elle nous offre aussi une plateforme pour découvrir comment la traiter. »
Ces travaux de recherche ont été financés par le programme de recherche intramuros NIH/NEI.
L’Institut national de l’œil (NEI) dirige la recherche du gouvernement fédéral sur le système visuel et les maladies oculaires. Le NEI soutient des programmes de recherche fondamentale et clinique visant à développer des traitements préservant la vue et à répondre aux besoins spécifiques des personnes malvoyantes. Pour plus d’informations, consultez le site : https://www.nei.nih.gov .