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Organes auto-cultivés

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Un organe viable pourrait-il être partiellement cultivé dans un tube à essai puis être relié à l'hôte d'une manière ou d'une autre jusqu'à ce qu'il soit assez grand pour l'échanger avec le mauvais organe ?

Par exemple : un cœur de remplacement plus petit pourrait-il avoir un petit stimulateur cardiaque pour maintenir un rythme cardiaque séparé et se développer dans une partie différente de la cavité corporelle comme l'appendice ?

Puis lorsque l'organe est mature, retirer l'organe de l'appendice puis le transplanter sur une autre personne ou sur soi-même ?


Un organe viable pourrait-il être partiellement cultivé dans un tube à essai puis être relié à l'hôte d'une manière ou d'une autre jusqu'à ce qu'il soit assez grand pour l'échanger avec le mauvais organe ?

Oui. Cette possibilité conceptuelle est déjà une réalité pour un organe, à savoir la peau.

Pour un exemple, voir l'histoire suivante dans une bonne revue scientifique : https://www.sciencemag.org/news/2017/11/boy-rare-disease-gets-new-skin-thanks-gene-corrected-stem-cells

Malheureusement, cela ne signifie pas encore que des procédures conceptuellement homologues pourraient déjà être effectuées pour la plupart des organes.


Cellules souches adultes

10.5 L'avenir : des organoïdes pour réparer les tissus et les organes

Nous n'assistons qu'au début de nouveaux aspects de la médecine des cellules souches et des thérapies régénératives basées sur la culture de cellules souches adultes. Les structures organoïdes peuvent désormais être cultivées à partir de cellules souches adultes isolées d'organes tels que l'estomac, la prostate, les poumons, le foie, le pancréas, les testicules, la peau et la glande mammaire, et le rein est probablement juste au coin de la rue. De nombreux défis nous attendent sans aucun doute dans la traduction des études chez la souris chez l'homme, et il faudra des années et des années avant qu'un premier patient puisse être guéri par un traitement de cellules souches «à base d'organoïdes». Tant que cela n'aura pas été mené à bien, nous ne pouvons pas prédire avec certitude qu'il réussira.

Pouvons-nous imiter la complexité structurelle et fonctionnelle des organes ou tissus humains in vitro dans la mesure où les réponses médicamenteuses peuvent être prédites ? Pour la pharmacologie de sécurité et la découverte de médicaments, le dicton "le plus simple sera le mieux" est le plus approprié pour le criblage à faible coût et à haut débit de composés ou de médicaments lors d'une étude préclinique à un stade précoce. Cependant, des formes tridimensionnelles humaines plus complexes in vitro les modèles englobant plusieurs types de cellules en interaction et substrats extracellulaires devraient mieux imiter in vivo physiologie et physiopathologie, et peut donc être mieux pour comprendre comment les médicaments affectent les organes et les tissus sains et malades.

Le cerveau humain en est un exemple. Les maladies du cerveau humain telles que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson ont été très difficiles à modéliser chez l'animal. Au cours du développement humain, les cellules progénitrices neurales (cellules souches gliales radiales) sont localisées dans une région du cerveau appelée zone sous-ventriculaire. En revanche, ces zones progénitrices ne sont présentes que de manière limitée, voire pas du tout, chez les rongeurs. Cela explique en grande partie la différence de taille et de fonction cérébrales entre les cerveaux humains et de rongeurs et se reflète dans leur valeur limitée en tant que modèles de maladies cérébrales.

Les cellules souches humaines peuvent cependant former de nombreux types de cellules dans le cerveau humain et peuvent offrir une solution. Récemment, des chercheurs ont réussi à générer du tissu cérébral organisé qu'ils ont appelé organoïdes cérébraux à partir de cellules souches pluripotentes induites par l'homme ( figure B10.3.1 ). Dans ces in vitro des organoïdes cérébraux cultivés, différentes régions du cerveau, telles que le cortex cérébral, le plexus choroïde et le prosencéphale ventral ont pu être identifiés. Des étapes de différenciation spécifiques induites par des facteurs de croissance neuronale, suivies d'une culture tridimensionnelle dans des bioréacteurs en rotation, étaient suffisantes pour produire des parties du cerveau humain. Les organoïdes cérébraux présentaient une remarquable capacité d'auto-organisation tridimensionnelle (similaire à celle décrite pour les organoïdes intestinaux) et étaient étonnamment similaires en termes d'organisation morphologique et de caractérisation moléculaire au cerveau humain. De plus, des procédures de différenciation et de culture identiques utilisant des cellules souches pluripotentes induites de patients souffrant de microcéphalie, un trouble entraînant une réduction sévère de la taille du cerveau associée à un retard mental, ont abouti à des organoïdes cérébraux beaucoup plus petits que leurs homologues normaux. Très probablement, cela était le résultat d'une différenciation neurale prématurée des cellules souches gliales radiales, qui a entraîné un épuisement de la population de cellules progénitrices et une altération de l'expansion du tissu cérébral. Dans ces conditions de culture, les organoïdes cérébraux ont atteint un diamètre maximal de 4 mm. Pour les organoïdes plus complexes et plus gros, il serait crucial d'incorporer d'autres types de cellules ou structures cellulaires, comme un réseau vasculaire pour l'apport d'oxygène et de nutriments, pour éviter la nécrose des cellules dans les régions centrales des organoïdes.

Graphique B10.3.1. Dans cette coupe transversale d'un organoïde cérébral, les neurones peuvent être vus dans les cellules progénitrices vertes et neurales en rouge.

Source : Reproduit avec la permission de Lancaster, M.A. et al., Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, Nature, 2013, 501, pp. 373-379.

On s'attend à ce que ces développements facilitent l'utilisation de modèles cérébraux complexes dérivés de cellules souches humaines pour étudier le développement du cerveau, pour la découverte et l'avancement de médicaments pour traiter les maladies du cerveau, et pour l'évaluation de la sécurité neuronale des médicaments.


Cellules, tissus, organes, systèmes d'organes

Les organes du corps sont regroupés en systèmes organiques en fonction des fonctions qu'ils remplissent. Les humains ont 11 systèmes d'organes différents. Voici tous les systèmes d'organes avec quelques exemples d'organes trouvés dans chaque système :

  • Tégumentaire (peau, cheveux, ongles)
  • Squelettique (os)
  • Musculaire (muscles lisses, cardiaques et squelettiques)
  • Circulatoire (cœur, artères, veines)
  • Respiratoire (poumons, diaphragme, larynx)
  • Digestif (estomac, intestins, foie)
  • Urinaire (reins, uretères, vessie)
  • Immunitaire (ganglions lymphatiques, moelle osseuse, thymus)
  • Nerveux (cerveau, moelle épinière, nerfs)
  • Endocrinien (hypophyse, thyroïde, surrénales)
  • Reproduction (pénis, vagin, prostate, utérus)

Cette image représente des parties du système circulatoire, y compris le cœur, les artères et les veines :


Les expériences sur les embryons font des « petits pas » vers la croissance d'organes humains dans le bétail

La pénurie perpétuelle d'organes humains à transplanter pousse les chercheurs à se tourner vers les animaux de ferme. Plusieurs sociétés de biotechnologie modifient génétiquement les porcs pour rendre leurs organes plus compatibles avec le corps humain. Mais certains scientifiques recherchent une solution différente : cultiver des organes entièrement humains chez des porcs, des moutons ou d'autres animaux, qui pourraient ensuite être récoltés pour des greffes.

L'idée est biologiquement intimidante et éthiquement lourde. Mais quelques équipes s'attaquent à un obstacle majeur : faire prospérer les cellules souches d'une espèce dans l'embryon d'une autre. Le mois dernier, un groupe américain a rapporté dans une prépublication qu'il avait cultivé des cellules souches de chimpanzé dans des embryons de singe. Et les réglementations récemment assouplies au Japon ont encouragé les chercheurs à demander l'approbation d'expériences visant à stimuler la survie des cellules humaines dans les embryons en développement de rongeurs et de porcs. Insoo Hyun, bioéthicien à la Case Western Reserve University à Cleveland, Ohio, affirme que le travail est effectué de manière responsable. Des efforts tels que les nouvelles chimères chimpanzés-singes représentent "un petit pas en avant, recueillant des données au fur et à mesure", dit-il. "Et je pense que c'est une approche sage."

En fin de compte, les chercheurs envisagent de reprogrammer les cellules d'une personne à un état de développement primitif qui peut former la plupart des tissus et d'injecter ces cellules souches pluripotentes induites (IPS) dans l'embryon d'une autre espèce. L'embryon serait implanté dans l'utérus d'une mère porteuse et autorisé à atteindre sa taille maximale pour servir de donneur d'organe. Les cellules IPS pourraient provenir de la personne en attente de greffe ou, dans une approche potentiellement plus rapide et moins coûteuse, des organes humains pourraient être cultivés à l'avance à partir de cellules d'autres donneurs, assorties de protéines de signalisation immunitaire clés pour prévenir le rejet.

Jusqu'à présent, l'exploit n'a été modélisé que chez les rongeurs. En 2010, le biologiste des cellules souches Hiromitsu Nakauchi et son équipe de l'Université de Tokyo ont signalé la croissance de pancréas de rat chez des souris qui ne pouvaient pas former leur propre pancréas. En 2017, Nakauchi et ses collègues ont traité le diabète chez la souris en leur donnant des greffes de tissu de pancréas de souris produisant de l'insuline cultivé chez un rat.

Mais le succès chez les rongeurs n'a pas résisté entre les animaux plus gros et plus éloignés sur le plan de l'évolution. En 2017, le biologiste cellulaire Jun Wu et ses collègues du laboratoire de Juan Carlos Izpisua Belmonte au Salk Institute for Biological Studies à San Diego, en Californie, ont rapporté que lorsqu'ils ont injecté des cellules IPS humaines à des embryons de porc et implanté les embryons dans des truies, environ la moitié des les fœtus résultants étaient rabougris et à croissance lente. Ceux qui étaient de taille normale avaient très peu de cellules humaines après un mois de gestation.

Wu, qui est maintenant au Southwestern Medical Center de l'Université du Texas à Dallas, a depuis exploré comment les cellules souches humaines interagissent dans une boîte de laboratoire avec des cellules souches de primates non humains, de rats, de souris, de moutons et de vaches. Il a découvert ce qu'il appelle "un phénomène très excitant : une compétition entre des cellules d'espèces différentes". Opposées à des cellules d'animaux lointainement apparentés, les cellules humaines ont tendance à mourir, et l'équipe essaie maintenant d'en comprendre le mécanisme. "Je pense que nous y sommes presque", dit Wu.

Mais la concurrence n'est pas le seul problème. Les cellules IPS de primates sont également plus avancées sur le plan du développement, ou « amorcées », que les cellules souches « naïves » de rongeurs utilisées dans les expériences réussies précédentes sur les chimères. Ils ont donc moins de chances de survivre dans un embryon chimérique, explique Nakauchi, qui possède également un laboratoire à l'Université de Stanford à Palo Alto, en Californie. Pour aider les cellules IPS de primates à prospérer, son équipe de Stanford et ses collaborateurs les ont dotés d'un gène qui empêche la mort cellulaire. Dans les expériences rapportées le mois dernier, ils ont testé comment les cellules modifiées se comporteraient dans l'embryon d'une espèce de primate étroitement liée.

Pour éviter de soulever des problèmes éthiques, l'équipe a décidé de ne pas utiliser de cellules IPS humaines. Si un embryon de primate non humain avec des cellules humaines ajoutées était autorisé à se développer dans une mère porteuse et que de nombreuses cellules humaines survivaient et proliféraient, le résultat serait une chimère de primate sans précédent. "Les gens craignent que la frontière entre les humains et les animaux ne s'estompe", déclare Misao Fujita, bioéthicienne à l'Université de Kyoto au Japon, qui a récemment mené une enquête sur les attitudes envers les chimères animal-humain dans le public japonais. Les personnes interrogées étaient particulièrement préoccupées par le fait que ces animaux pourraient avoir une intelligence améliorée ou transporter des spermatozoïdes et des ovules humains.

L'équipe de Nakauchi a plutôt modifié les cellules IPS du parent humain le plus proche, le chimpanzé, et les a mises dans des embryons de macaque rhésus. Ils ont découvert que, par rapport aux cellules IPS de chimpanzé non modifiées, les cellules avec le gène favorisant la survie étaient plus susceptibles de persister dans les 2 jours suivant leur insertion dans un embryon de singe âgé de 5 jours. Il est difficile de garder un embryon de singe en vie dans une boîte pendant plus d'une semaine, dit Nakauchi, mais son équipe prévoit de développer davantage ses chimères en les implantant dans l'utérus de macaques femelles "dans un avenir proche".

Nakauchi a également soumis des propositions à un comité gouvernemental au Japon pour mettre le gène favorisant la survie dans des cellules souches humaines et les injecter dans des embryons de souris, de rat et de porc, mais pas de primates non humains, dépourvus d'un gène essentiel au développement du pancréas. Les chercheurs espèrent que, comme dans les expériences précédentes sur les rongeurs, les cellules humaines commenceront à former le pancréas manquant. Son équipe implanterait les embryons dans des animaux de substitution mais les retirerait pour étude avant qu'ils n'atteignent leur terme. Les propositions sont un premier test pour les nouvelles directives juridiques au Japon, qui a levé en mars l'interdiction pure et simple de cultiver des chimères homme-animal au cours des 14 derniers jours ou de les mettre dans un utérus.

D'autres groupes peaufinent différentes recettes de cellules souches adaptées aux chimères. En janvier, une équipe de l'Université de Yale et de l'Axion Research Foundation à Hamden, Connecticut, a décrit la culture de cellules IPS de singe avec des produits chimiques qui induisaient des modèles d'expression génique comme ceux des cellules souches embryonnaires de souris, qui sont plus susceptibles de survivre dans une chimère. En avril, le biologiste des cellules souches de l'Université Yale, Alejandro De Los Angeles, a rapporté que la technique avait provoqué des changements similaires dans l'expression des gènes dans les cellules IPS humaines. Il envisage maintenant de tester comment ces cellules résistent dans une souris ou un autre embryon non humain.

Ce travail se heurte à des obstacles aux États-Unis. Il n'y a pas d'interdiction pure et simple, mais en 2015, les National Institutes of Health (NIH) des États-Unis à Bethesda, dans le Maryland, ont gelé leur examen des demandes de subvention pour la recherche qui consiste à mettre des cellules souches pluripotentes humaines, qu'il s'agisse de cellules IPS ou d'embryons humains, embryons de vertébrés non humains. Après les protestations de certains chercheurs, l'agence a proposé en 2016 de lever l'interdiction générale tout en maintenant une interdiction de financement sur des expériences de chimères spécifiques, notamment l'insertion de cellules souches humaines dans des embryons précoces de primates non humains et l'élevage d'animaux chimériques pouvant avoir des ovules ou des spermatozoïdes humains. La proposition est "toujours à l'étude", selon un porte-parole du NIH.

Le moratoire "a eu un impact très important sur les progrès de ce domaine", explique Pablo Ross, biologiste de la reproduction à l'Université de Californie, Davis, qui fait des recherches sur les chimères. "Certaines des préoccupations soulevées doivent être prises au sérieux, mais je pense que nous avons les outils pour le faire, et [ces préoccupations] ne devraient pas nous empêcher de poursuivre cet objectif."

En raison de la lenteur de la recherche sur les chimères, même certains de ses partisans prédisent que la xénotransplantation - l'utilisation de tissus non humains, tels que des organes de porc modifiés, pour les greffes - battra leur approche de la clinique. "La xénotransplantation est proche de l'heure de grande écoute maintenant", a déclaré Wu, et "nous sommes à la traîne". Mais la possibilité de créer des organes qui correspondent mieux à leurs receveurs humains maintient son laboratoire et d'autres à se pencher sur les cellules souches et les embryons, dans l'espoir de réduire la division des espèces.


La biologie synthétique accélère la création de foies cultivés en laboratoire

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&ldquoLa grossesse dure neuf mois&mdashit prend autant de temps et même des mois après la naissance pour que de nouveaux organes mûrissent&mdashmais si une personne a besoin d'un foie, elle peut ne pas être en mesure d'attendre aussi longtemps&rdquo", a déclaré l'auteur de l'étude Mo Ebrahimkhani, MD, professeur agrégé de pathologie et de bio-ingénierie, et membre du Pittsburgh Liver Research Center et du McGowan Institute for Regenerative Medicine. &ldquoNous avons montré qu'il était possible d'obtenir du tissu hépatique humain avec quatre principaux types de cellules et un système vasculaire en 17 jours. Nous pouvons faire mûrir les tissus presque jusqu'au troisième trimestre en seulement trois mois.&rdquo

Ensuite, Ebrahimkhani et sa collaboratrice chez Pitt, Samira Kiani, M.D., ont appliqué des techniques de génie génétique, y compris CRISPR, pour transformer une masse de tissu hépatique immature et dérivé à l'origine de cellules souches humaines en ce que l'équipe appelle des "organoïdes hépatiques de conception".

CRÉDIT : Université d'État de l'Arizona

LÉGENDE : Mo Ebrahimkhani, M.D., professeur agrégé de pathologie, faculté de médecine de l'Université de Pittsburgh.

CRÉDIT : Velazquez et al. (2020), Systèmes cellulaires.

LÉGENDE : Système d'approvisionnement en sang auto-organisé : plus les organoïdes du foie de conception sont matures, plus les capillaires (rouges) se frayent un chemin à travers la fine feuille de tissu (noir).


Une étude ouvre la voie à la croissance d'organes de remplacement

Une découverte impliquant des scientifiques de l'Université Monash promet d'ouvrir la voie à la production d'organes de remplacement pour les cœurs, les reins et les intestins endommagés, en utilisant les propres cellules souches des patients.

La recherche, lancée par une équipe de scientifiques dirigée par le directeur de l'Australian Regenerative Medicine Institute de l'Université Monash, le professeur Peter Currie, pourrait surmonter la grave pénurie de donneurs d'organes pour les greffes.

Les scientifiques se sont concentrés sur le poisson zèbre, un petit poisson tropical à croissance rapide originaire d'Asie du Sud-Est, qui est largement utilisé comme modèle pour la biologie humaine.

Ils ont découvert qu'une protéine appelée Meox1, active dans les cellules souches, est essentielle pour diriger la croissance musculaire. Les résultats révolutionnaires ont été publiés dans la dernière édition de la prestigieuse revue, Cellule souche.

Les scientifiques du monde entier cultivent depuis longtemps des organes miniatures dans des boîtes de Pétri, les utilisant pour mieux comprendre les maladies et les mécanismes naturels d'auto-réparation dans le corps, ainsi que pour les tests de dépistage de drogues. L'Université Monash a été à l'avant-garde de ces domaines.

"Mais, nous ne savons presque rien sur la façon dont les organes se développent chez l'animal vivant - la base cellulaire de la façon dont les cellules souches fabriquent tout ce tissu", a déclaré le professeur Currie.

« Si jamais nous voulons cultiver des organes complets en laboratoire ou directement dans le corps d'un patient, nous devons savoir comment les cultiver correctement.

"Mon laboratoire explore l'une des dernières frontières de la biologie du développement - comment la croissance des organes est régulée par les cellules souches.

"Avant nos travaux dans ce domaine, nous ne savions même pas que ces cellules souches spécifiques à la croissance existaient ou comment elles étaient utilisées. Le simple fait de savoir qu'elles existent nous amène à la possibilité de les orchestrer, de les contrôler ou de les réactiver pour repousse les tissus endommagés."

Le professeur Currie a déclaré que si la découverte de cellules souches représentait une avancée significative dans les connaissances, le calendrier de production d'organes de remplacement en laboratoire restait inconnu, bien que plus proche de la science que de la fiction.


Structures multicellulaires auto-organisées conçues à l'aide de la biologie synthétique

Jesse Tordoff fait partie du programme de biologie computationnelle et des systèmes du Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, États-Unis.

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Ron Weiss fait partie des départements de génie biologique et de génie électrique et informatique du Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, États-Unis.

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Les structures des organismes vivants ont des propriétés que tout ingénieur peut espérer recréer. Ils peuvent s'auto-guérir, grandir et s'adapter, et ils peuvent avoir une gamme étonnante de propriétés matérielles, de la résistance des os à la flexibilité légère d'une aile d'insecte. Pour fabriquer ces structures, un ovule fécondé suit un programme de développement - un ensemble d'instructions pour le comportement des cellules codées dans son ADN. Si nous pouvions comprendre et contrôler le développement des formes biologiques, nous pourrions alors exploiter les propriétés des structures vivantes pour construire de meilleurs organes in vitro et pour générer des matériaux de conception qui pourraient imiter certaines des capacités des organismes vivants. Écrire dans Science, Aujourd'hui et al. 1 présente une méthode de création d'instructions de développement synthétiques et personnalisables, ouvrant la voie aux chercheurs pour concevoir des formes biologiques personnalisables.

Il a été proposé que tout ce qui est nécessaire pour faire les diverses structures du règne animal est un petit ensemble d'outils fondamentaux - environ dix opérations de changement de forme, y compris la mort cellulaire, l'adhésion et le mouvement 2 . Pour décider laquelle de ces actions utiliser, les cellules peuvent communiquer entre elles pour établir leurs positions relatives.

Aujourd'hui et al. a utilisé un système de communication cellulaire appelé synNotch 3 pour refléter cette configuration biologique. SynNotch est adapté de la signalisation Delta-Notch - une voie de signalisation trouvée dans la nature, dans laquelle les cellules qui ont des récepteurs Notch transmembranaires détectent les protéines Delta à la surface des cellules voisines. Un domaine effecteur intracellulaire est clivé de Notch après la liaison au ligand et se déplace vers le noyau pour réguler l'expression des gènes. Dans synNotch, le noyau naturel de la protéine Notch est utilisé, mais le ligand détecté et le domaine effecteur qui répond sont personnalisables. De cette manière, il est possible de créer plusieurs canaux de communication cellule-cellule modifiables. Avec le choix approprié du ligand et de l'effecteur, le système peut agir indépendamment de la signalisation Delta-Notch native pour piloter le comportement cellulaire de manière personnalisable.

Les auteurs ont conçu les cellules de sorte que les capteurs synNotch régulent l'expression des gènes qui codent les protéines cadhérines, connues depuis longtemps pour leur capacité à créer une organisation spatiale dans les tissus. Les protéines cadhérines assurent la médiation de l'adhésion cellule-cellule et sont donc essentielles pour maintenir les cellules ensemble et créer des frontières tissulaires au cours du développement 4 . Tout comme l'huile et l'eau, les populations cellulaires qui ont différents modèles ou niveaux de cadhérines peuvent se trier en groupes séparés après avoir été mélangées, et peuvent s'auto-assembler en une gamme de structures in vitro 5 , 6 .

Pour créer un programme synthétique pour guider la formation de la forme, Toda et al. construit plusieurs circuits génétiques composés de différents capteurs synNotch qui, lorsqu'ils sont activés par une cellule voisine, entraînent l'expression non seulement de différents niveaux ou types de cadhérine, mais aussi de différents ligands pour se lier à d'autres capteurs. De plus, chaque capteur pilote l'expression d'un gène qui code pour une protéine fluorescente (verte, rouge ou bleue), de sorte que les changements dans l'organisation cellulaire peuvent être facilement visualisés. Les auteurs ont mélangé des populations cellulaires abritant ces différents circuits et leur ont permis de communiquer et de se déplacer librement. Ils ont découvert que la communication artificielle entre les cellules conduisait à un réarrangement cellulaire induit par la cadhérine, qui à son tour conduisait à différentes interactions cellule-cellule, produisant des cycles de communication et de changement de forme (Fig. 1).

Graphique 1 | Les circuits génétiques synthétiques génèrent des structures d'auto-assemblage. Aujourd'hui et al. 1 ont construit des circuits qui, lorsqu'ils sont exprimés dans différentes combinaisons dans une population de cellules, ont amené les cellules à s'auto-organiser en diverses structures. Dans cet exemple, les auteurs ont utilisé deux circuits. Initialement, un groupe de cellules (marquées de type 1) exprimait une protéine fluorescente bleue et l'autre (type 2) n'était pas fluorescente. Lorsque les populations ont été mélangées, un ligand (désigné A) produit par les cellules de type 1 a activé un récepteur (capteur A) sur les cellules de type 2, conduisant au clivage d'un domaine effecteur intracellulaire du capteur. Ce domaine s'est déplacé vers le noyau pour déclencher l'expression de gènes codant pour le ligand B, la protéine d'adhésion E-cadhérine et la protéine GFP, ce qui a rendu les cellules vertes fluorescentes. L'E-cadhérine a fait adhérer les cellules de type 2 les unes aux autres, réorganisant la population cellulaire. Le ligand B a ensuite signalé aux cellules de type 1 à proximité, activant un capteur différent (B). Cela a conduit à l'expression d'une protéine (RFP) qui a provoqué une fluorescence rouge et de faibles niveaux d'E-cadhérines. Parce que la faible production d'E-cadhérine rendait les cellules quelque peu adhésives, elles formaient un deuxième anneau de cellules. De cette façon, les circuits ont produit des cycles de communication cellule-cellule et d'auto-organisation.

Toda et ses collègues ont observé des comportements cellulaires remarquablement complexes. Les cellules s'auto-organisent pour générer des structures 3D, y compris un motif en œil de bœuf et une sphère entourée de plusieurs nœuds plus petits de différentes couleurs. Les chercheurs pourraient concevoir des instructions pour produire des structures spécifiques, telles que des formes asymétriques, un élément clé du développement embryonnaire. De plus, ils ont montré qu'une structure de sphères emboîtées pouvait se régénérer après avoir été coupée en deux, comme c'est souvent le cas pour les tissus auto-organisés des organismes vivants.

Les chercheurs ont ensuite construit un circuit pour générer une expression génétique différentielle dans une population de cellules initialement identiques – un processus qui imite la différenciation cellulaire. Pour ce faire, ils ont conçu des circuits synNotch pour émuler une caractéristique du système natif Delta-Notch connu sous le nom d'inhibition latérale, dans lequel Notch, lorsqu'il est activé par Delta à partir d'une cellule voisine, inhibe l'expression de Delta dans la cellule réceptrice. Cette signalisation produit un motif en damier de deux populations cellulaires distinctes, l'une exprimant Notch, l'autre Delta, à partir d'une population initialement uniforme.

Dans le circuit d'inhibition latérale des auteurs, l'une de ces populations cellulaires produisait une protéine fluorescente verte, l'autre rouge. De plus, les deux domaines effecteurs ont également favorisé la production de différents niveaux de la protéine E-cadhérine. De cette façon, le groupe a pu générer une structure qui avait des anneaux de couleur à partir d'une seule population cellulaire uniforme.

Avec ce travail, Toda et al. ont montré comment nous pouvons concevoir des programmes de développement pour créer de nouvelles formes vivantes. Bien sûr, il y a des limites à cette approche. Les plus grandes structures des auteurs ne mesurent que quelques centaines de micromètres de diamètre, et il est peu probable que l'auto-organisation axée sur l'adhésion génère à elle seule des structures de la taille ou de la complexité des organes. Mais les progrès dans d'autres types de contrôle de forme en biologie synthétique pourraient aider à combler certaines des lacunes. Par exemple, des cellules ont été générées qui peuvent être artificiellement polarisées de telle sorte que des contacts cellulaires asymétriques puissent être établis 7 , et des circuits synthétiques ont été conçus pour modifier le comportement des bactéries afin que, dans toute une population, des arrangements se forment qui ressemblent à Turing. motifs 8 . Ces motifs - tels que les rayures, les spirales ou les taches sur une girafe - apparaissent au cours du développement à la suite de programmes de signalisation biologique.

À l'avenir, la boîte à outils établie par Toda et al. pourrait être étendu pour générer une communication cellule-cellule à courte et longue distance aux côtés d'un système synthétique qui contrôle toutes les opérations de changement de forme impliquées dans la fabrication de structures biologiques. Cela pourrait éventuellement donner aux ingénieurs un contrôle total lors de la conception de formes possédant certaines des propriétés des organismes multicellulaires vivants. Un tel développement serait une énorme avancée. Non seulement pourrions-nous cartographier les règles de la biologie du développement en établissant les limites et les contraintes des opérations biologiques qui changent de forme, mais nous pourrions également développer des organes de remplacement et fabriquer des matériaux vivants adaptatifs - par exemple, des bâtiments qui pourraient se construire et se guérir eux-mêmes.

La nature 559, 184-185 (2018)


Envisager

En tant que responsable du programme UCSF en biologie craniofaciale - qui est basé à l'École de médecine dentaire et à la Division de génétique de l'École de médecine - Klein se trouve à l'un des carrefours les plus convaincants de la science : la médecine régénérative et la génétique. Loin dans le futur, les deux domaines ont un potentiel qui ressemble aujourd'hui à de la science-fiction. Nous vivons dans un monde où les gens meurent en attendant des greffes d'organes. Et si nous pouvions extraire ces organoïdes de leur boîte de Pétri et leur fournir le carburant dont ils ont besoin pour devenir des organes à part entière ? Un tel exploit nécessiterait soit un embryon hôte – peut-être un porc, car les porcs ont des organes de la taille des organes humains – soit une autre base biologique. Certains scientifiques espèrent relancer le développement des organes avec un « échafaudage » ou des cellules conçues pour accélérer le processus de développement. D'autres se concentrent sur le génome, en particulier chez les enfants présentant des anomalies craniofaciales causées par une seule mutation, comme le syndrome craniofrontonasal par exemple, un outil appelé CRISPR pourrait permettre aux scientifiques d'épisser ce gène et de le remplacer par un gène normal. Mais l'outil n'a pas encore été utilisé chez l'homme, sans parler d'un fœtus humain.

Les questions éthiques ponctuent l'une ou l'autre voie. Au mieux, les cellules souches régénèrent les tissus au pire, elles se dégradent et se transforment en tumeur. "Pourtant, avec des outils d'édition de gènes comme CRISPR, vous avez littéralement le potentiel de changer l'espèce", explique Klein. Et dans les deux scénarios, les cellules peuvent agir avec des effets hors cible imprévus. Klein et ses collègues discutent continuellement des répercussions de leur travail avec la directrice de l'UCSF Bioethics, Barbara Koenig, RN, PhD '88. « La thérapie génique est un exemple de nouveau traitement passionnant qui a guéri une maladie pédiatrique grave – le syndrome d'immunodéficience combinée sévère (SCID) – mais les gènes ont involontairement conduit au développement de la leucémie », explique Koenig. « Les interventions sur la génétique et les cellules souches doivent être minutieusement étudiées avant leur application. Et, une fois qu'ils sont prêts, qui va les réguler ? Il y a encore beaucoup de questions sans réponse. Les défis sont les plus extrêmes lorsque nous parlons de modifier un ovule ou un spermatozoïde, où les changements sont transmis à la génération suivante. »

Klein et ses collègues procèdent donc avec prudence, curiosité et crainte. « La prochaine décennie sera une période incroyablement excitante », déclare Klein. « Avec les progrès continus de la génétique humaine et de la biologie du développement et des cellules, nous espérons pouvoir fabriquer des médicaments et utiliser des outils génétiques pour changer sensiblement la vie de nos patients. »


La biologie synthétique et l'apprentissage automatique accélèrent la création de foies cultivés en laboratoire

Des chercheurs de la faculté de médecine de l'Université de Pittsburgh ont combiné la biologie synthétique avec un algorithme d'apprentissage automatique pour créer des organoïdes hépatiques humains avec des systèmes de gestion du sang et de la bile. Lorsqu'ils ont été implantés dans des souris dont le foie était défaillant, les foies de remplacement cultivés en laboratoire ont prolongé la durée de vie.

L'étude, publiée aujourd'hui dans Systèmes cellulaires, montre qu'il est possible de déclencher et d'accélérer la maturation d'un organe cultivé en laboratoire sans sacrifier la précision ou le contrôle.

"La grossesse dure neuf mois - il faut aussi longtemps et même des mois après la naissance pour que de nouveaux organes mûrissent - mais si une personne a besoin d'un foie, elle ne pourra peut-être pas attendre aussi longtemps", a déclaré l'auteur de l'étude Mo Ebrahimkhani, MD, professeur agrégé de pathologie et de bio-ingénierie et membre du Pittsburgh Liver Research Center et du McGowan Institute for Regenerative Medicine. "Nous avons montré qu'il était possible d'obtenir du tissu hépatique humain avec quatre principaux types de cellules et un système vasculaire en 17 jours. Nous pouvons faire mûrir des tissus presque jusqu'au troisième trimestre en seulement trois mois."

D'autres groupes ont tenté d'amadouer la maturation des organoïdes dans un plat en utilisant des facteurs de croissance, mais c'est coûteux, incohérent et sujet aux erreurs humaines, a déclaré Ebrahimkhani. Souvent, il existe des types de tissus ou de cellules indésirables, tels que des cellules intestinales ou cérébrales qui se développent au milieu de ce qui devrait être du foie solide.

L'utilisation du génie génétique est plus propre mais aussi plus complexe à orchestrer. Ainsi, Ebrahimkhani s'est associé à Patrick Cahan, Ph.D., à l'Université Johns Hopkins pour utiliser un système d'apprentissage automatique capable de désosser les gènes nécessaires à la maturation du foie humain.

Ensuite, Ebrahimkhani et sa collaboratrice à Pitt, Samira Kiani, MD, ont appliqué des techniques de génie génétique, y compris CRISPR, pour transformer une masse de tissu hépatique immature - à l'origine dérivé de cellules souches humaines - en ce que l'équipe appelle "des organoïdes hépatiques de conception ."

Plus les organoïdes étaient matures, plus les capillaires et les cellules des voies biliaires rudimentaires se frayaient un chemin à travers la mince feuille de tissu, et plus la fonction du petit organe rivalisait avec son modèle humain naturel de taille normale. Le stockage d'énergie, l'accumulation de graisse, le transport chimique, l'activité enzymatique et la production de protéines étaient tous plus proches de la fonction hépatique humaine adulte, bien qu'ils ne correspondent toujours pas parfaitement.

Ebrahimkhani imagine des organoïdes de conception ayant trois utilisations principales : la découverte de médicaments, la modélisation de maladies et la transplantation d'organes. Étant donné que les cellules souches peuvent provenir du propre corps du patient, les organes cultivés en laboratoire pourraient être personnalisés, de sorte qu'il n'y aurait aucune menace de rejet immunitaire.

When transplanted into mice with damaged livers, Ebrahimkhani's designer liver organoids successfully integrated into the animals' bodies and continued to work -- producing human proteins that showed up in the animals' blood and prolonging the animals' lives.

This is a proof-of-principle to show that it's possible, Ebrahimkhani said. The technique could potentially go much further.

"Our reference was a nature-designed human liver, but you can go after any design you like. For instance, you can make a genetic switch that protects the tissue from a virus, target the DNA of the virus and destroy it," Ebrahimkhani said. "That sets this method apart."

Additional authors on the study include co-first authors Jeremy Velazquez and Ryan LeGraw, as well as Farzaneh Moghadam, Ph.D., Joseph Maggiore, Joshua Hislop and Silvia Liu, Ph.D., of Pitt Yuqi Tan of Johns Hopkins Jacquelyn Kilbourne and Christopher Plaisier, Ph.D., of Arizona State University and Davy Cats and Susana Chuva de Sousa Lopes, Ph.D., of Leiden University Medical Center.

Several of the authors have submitted a patent (WO2019237124) for the methods described in this paper.

This study was supported by the National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (R01 EB028532 and R01 EB024562), the National Heart, Lung, and Blood Institute (R01 HL141805), Arizona Biomedical Research Centre (ADHS16-162402), National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (P30 DK120531) and the National Institute of General Medical Sciences (T32GM008208 and R35GM124725).


How plants self heal

Arabidopsis plants grown without plant hormones. Compared to the wild-type plants (left) those over expressing WIND1 (right) can exhibit a range of developmental abnormalities including dedifferentiated callus-like cells masses instead of roots and shoots. Credit: Akira Iwase and Keiko Sugimoto

Many animals and plants regenerate tissues or even whole organs after injury. Typically, specialized cells at the wound site revert to a ‘pluripotent’ state–via a process called dedifferentiation—which means they regain the ability to develop into the various cell types required for regeneration. The dedifferentiated cells rapidly divide to form a callus from which the damaged tissue or organ will regenerate. Now, a research team from the RIKEN Plant Science Center in Yokohama has identified a master regulator of the response of plants to injury.

Developmental biologists have evidence that the mammalian wound response is genetically programmed, involving transcription factors—proteins that regulate gene expression. However, the precise molecular mechanisms underlying the cell dedifferentiation and redifferentiation are poorly understood for both animals and plants, explains team leader Keiko Sugimoto.

Akira Iwase, a senior postdoctoral researcher in Sugimoto’s laboratory, previously identified the transcription factor WIND1 that was expressed in cultured Arabidopsis cells but not in healthy seedlings. His findings suggested that WIND1 might be involved in the wound response. Using transgenic seedlings, Iwase along with Sugimoto and their colleagues have now demonstrated that WIND1 expression increases markedly at wound sites within hours of injury and continues throughout callus development.

Iwase, Sugimoto and colleagues further showed that Arabidopsis seedlings that were genetically engineered to over express WIND1 exhibited a range of developmental abnormalities (Fig. 1). They found that the most severe defects were associated with particularly high levels of WIND1 expression. These included aborted development after germination and the growth of undifferentiated callus-like cell masses at the places where roots or shoots would normally form. 

In addition, the researchers found that the callus-like cell masses continued to proliferate rapidly when removed from the plant and grown in culture. This occurred even in the absence in the culture medium of auxin and cytokinin, two plant hormones long known to be involved in the normal regeneration process. Further experiments also confirmed the importance of WIND1 in callus formation in vivo.

The researchers then investigated the mode of action of WIND1. They found that wounding induced a cytokinin response involving increased expression of the so-called ‘B-type Arabidopsis response regulator’ (ARR). Further experiments confirmed that WIND1 acts via the ARR-dependent signaling pathway to promote cell dedifferentiation.

“Our findings clearly demonstrate that WIND1 functions as a key molecular switch triggering cell dedifferentiation in Arabidopsis,” explains Sugimoto. “The discovery of WIND1 should allow us to establish specific role of transcriptional regulators in cell dedifferentiation.”


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