Un ensemble de cinq structures embryonnaires dans un dispositif microfluidique développé dans le laboratoire de Jianping Fu. La rangée du haut est constituée d’images « immunocolorées » dans lesquelles les protéines clés sont marquées avec des colorants pour marquer différents types de cellules, tandis que la rangée du bas montre des photos standard prises au microscope. Certaines parties des images du bas ont été floutées pour montrer plus clairement une corrélation entre les rangées. Source de l’image : Fu Lab, Michigan Engineering
Une nouvelle méthode de fabrication de colonies de cellules souches qui imitent des parties du développement humain précoce pourrait aider à étudier d’importantes questions de santé maternelle et infantile, telles que : Quels produits chimiques posent des risques pour le développement des embryons et quelles sont les causes de certaines anomalies congénitales et de fausses couches multiples ?
Cette technique, mise au point à l’Université du Michigan, imite les stades du développement embryonnaire qui surviennent peu après l’implantation dans l’utérus. C’est alors que le sac amniotique commence à se former et que les cellules souches qui deviendraient le fœtus font leurs premiers pas vers l’organisation du corps. Les structures « embryonnaires » ou « embryonnaires » n’ont pas le potentiel de se développer au-delà de petites colonies de cellules.
Le système peut produire de façon fiable des centaines ou des milliers de structures embryonnaires nécessaires pour déterminer si un médicament est sans danger pour une femme enceinte au tout début de la grossesse, par exemple.
L’équipe a mis fin aux expériences à la fin de la quatrième journée.
Ce qu’ils ont fait : Simulation de parties du développement embryonnaire précoce
Une équipe d’ingénieurs et de biologistes, dirigée par Jianping Fu, professeur agrégé de génie mécanique, a amené les cellules souches à s’organiser et à se comporter d’une manière qui ressemble à certains aspects du développement embryonnaire. Ils ont développé ces trois modèles :
- L’épiblaste, une colonie de cellules souches qui comprend la plupart des cellules qui formeraient le foetus.
- Les débuts du sac amniotique et l’extrémité postérieure, ou arrière de l’épiblaste après qu’il ait passé par les toutes premières étapes de différenciation. Dans un embryon réel, ces cellules postérieures deviennent la partie inférieure du fœtus.
- Les débuts du sac amniotique et l’extrémité antérieure ou supérieure de l’épiblaste – marquée à ce stade simplement par l’absence de cellules postérieures. Dans un embryon réel, ces cellules formeraient la partie supérieure du fœtus, y compris la tête et la partie médiane.
Les modèles embryonnaires nos 2 et 3 ne contiennent qu’une partie des cellules épiblastiques présentes dans un embryon réel. Le modèle postérieur ne contient pas de cellules antérieures, et vice versa.
Pourquoi c’est important : Répondre aux questions sur l’innocuité des médicaments et l’infertilité
« Nos structures de cellules souches qui imitent les embryons peuvent aider à combler des lacunes critiques dans les connaissances sur le développement humain précoce, et cela pourrait mener à beaucoup de bien « , a dit M. Fu.
« Cette recherche pourrait nous donner un aperçu de la période charnière mais à peine observable entre deux et quatre semaines après la conception. C’est une période où de nombreuses fausses couches surviennent et où de graves malformations congénitales peuvent survenir. Les scientifiques ont même commencé à trouver des liens entre les maladies à apparition tardive et le développement précoce. Nous devons mieux comprendre ces processus si nous voulons développer des mesures préventives. »
Jianping Fu, professeur agrégé de génie mécanique, et Yi Zheng, chargé de recherche en génie mécanique, examinent une puce microfluidique développée dans le laboratoire de Fu. Source de l’image : Fu Lab, Michigan Engineering
Les connaissances les plus précises sur le développement humain proviennent d’études limitées sur de grands animaux ou sur des embryons humains complets. Il n’est pas possible de le faire à une échelle suffisamment grande pour des applications comme le dépistage de produits chimiques et de médicaments. Jianping Fu indique que le nouveau système est prêt à vérifier l’innocuité des médicaments au début de la grossesse.
« Notre manque de connaissances sur la façon dont les médicaments affectent le développement de l’embryon est un grave problème de santé publique « , dit-il.
Une étude citée par les Centers for Disease Control and Prevention a révélé que sur les 54 médicaments les plus couramment utilisés par les femmes enceintes au cours du premier trimestre, 63 % présentaient un risque » très limité à moyen « . Et seulement 4 % avaient des données « bonnes à excellentes ».
Si l’équipe peut poursuivre cette ligne de recherche, elle pourrait aussi donner un aperçu des causes de certaines malformations congénitales ou incapacités congénitales. Par exemple, dans l’anencéphalie, des parties du cerveau et du crâne ne se développent pas. C’est fatal. Dans le spina bifida, la moelle épinière est endommagée, entraînant dans certains cas de graves handicaps. Et 40 000 naissances par an sont touchées par des malformations cardiaques congénitales.
Comme le système fonctionne avec des cellules adultes reprogrammées (ainsi qu’avec des cellules souches embryonnaires), il peut aussi faire la lumière sur l’infertilité. À l’heure actuelle, 30 % des couples qui demandent un traitement de fertilité ne reçoivent pas d’explication sur les raisons pour lesquelles ils n’ont pas conçu.
« Ce travail fournit une plate-forme expérimentale contrôlable et évolutive pour poser des questions importantes liées au développement humain et à la reproduction « , a déclaré M. Fu. « Nos résultats démontrent que le développement humain est très différent des autres mammifères. Différentes voies de signalisation sont impliquées. C’est donc la seule façon d’étudier avec précision le développement humain sans utiliser d’embryons humains intacts. »
Comment ils l’ont fait : Un système microfluidique qui permet aux cellules souches de s’auto-organiser.
Photographie rapprochée d’une puce microfluidique qui aide les cellules souches à s’organiser en structures embryonnaires afin d’étudier le développement humain précoce. Source de l’image : Fu Lab, Michigan Engineering
Pour produire les trois modèles, l’équipe a cultivé des cellules souches dans un système microfluidique évolutif à trois canaux. Le canal central contenait un gel qui imitait la paroi de l’utérus, et il était flanqué d’un canal pour l’alimentation des cellules souches et d’un autre pour les signaux chimiques qui guidaient le développement des cellules.
« Dans les cultures 3D classiques, moins de 5 % des amas de cellules souches formeraient des structures ressemblant à des embryons « , a dit M. Fu. « Avec ce système microfluidique, qui nous permet de contrôler précisément l’environnement de culture, nous pouvons atteindre une efficacité supérieure à 90% pour générer de telles structures embryonnaires. »
Les cellules souches chargées dans le dispositif microfluidique se sont d’abord développées en colonies qui sont naturellement devenues des boules creuses. Ensuite, les billes se sont enfouies dans le gel, de la même façon qu’un embryon précoce s’implante dans la paroi de l’utérus. Cette étape comprend le premier modèle.
Pour générer le deuxième modèle, les chercheurs ont chargé dans le dispositif microfluidique des signaux chimiques qui ont déclenché les cellules souches d’un côté de la boule pour se transformer en cellules sacchio-amniotiques. Les cellules souches de l’autre côté sont devenues plus grandes et plus minces, se serrant les unes contre les autres, comme on s’y attendait dans l’épiblaste – le groupe de cellules qui finiraient par former le fœtus.
Les cellules amniotiques ont libéré des molécules de signalisation qui ont guidé les cellules souches de l’autre côté de la boule pour se différencier en cellules ressemblant à l’extrémité arrière d’un épiblaste. Ces modèles ont également commencé à former des cellules germinales primordiales. Dans un embryon réel, ceux-ci deviennent des spermatozoïdes et des ovules.
Pour générer le troisième modèle, les chercheurs ont ajouté aux molécules microfluidiques des dispositifs qui empêchent les cellules épiblastiques indifférenciées de se transformer en cellules épiblastiques arrière. Cela imite un signal qui se produit dans les embryons réels. Ce modèle représente l’extrémité supérieure de l’épiblaste, qui reste indifférenciée à ce stade.
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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1535-2
https://news.engin.umich.edu/2019/09/opening-the-black-box-of-human-development/
