Organoïdes : mini-intestin et mini-cerveau

21. février 2017

Même s’ils ne vont pas remplacer l’expérimentation animale et les essais cliniques, les organoïdes issus de cellules souches offrent de nombreux avantages. Le virus Zika a pu être étudié sur un mini-cerveau. Un mini-intestin a aussi permis de mieux étudier la bactérie Helicobacter pylori.

Même si les patients atteints de mucoviscidose atteignent aujourd’hui la plupart du temps l’âge adulte grâce à l’amélioration des méthodes de traitement, la maladie est encore l’une des principales problématiques non résolues en médecine. Près de 2000 mutations différentes dans le gène CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) ont déjà été décrites. Chez les patients avec des variantes rares, les perspectives d’une thérapie efficace sont faibles.

Un modèle de test pour les maladies rares, des pièces de rechange en cas de dommages

En Octobre de l’année dernière est paru dans Science Translational Medicine un article d’un groupe de recherche néerlandais dirigé par Hans Clevers qui pourrait peut-être mettre fin au jeu de la roulette dans le traitement de ces variantes rares. Des chercheurs d’Utrecht ont créé un « mini-intestin » à partir de cellules souches intestinales de deux sujets atteints de mucoviscidose, sur lequel l’effet de différentes approches thérapeutiques a pu être testé en laboratoire. Ainsi, grâce à ces « recherches miniatures », les données de laboratoire ont été transférées avec succès dans la pratique clinique.

Déjà en 2007, Clevers et ses collègues avaient découvert des cellules souches à partir desquelles des organoïdes atteignant un à deux millimètres pouvaient être formés. Ces cellules souches intestinales, selon Clevers, « sont probablement les plus actives de notre corps », mais elles ne sont nullement les seules cellules immortelles pluripotentes qui peuvent permettre de créer des « organes de laboratoire ». Des cellules appropriées peuvent également être isolées de la prostate et du pancréas, ainsi que de l’estomac, du rein, ou même également du système nerveux central.

Il n’y a pas toujours un lien clair entre de tels systèmes d’organes-modèles et l’application clinique, souvent, ces amas de cellule sont d’abord utilisés pour étudier en détail les fonctions et la circulation pour certains organes sous forme saine ou malade. Toutefois, si on prend le système modèle « peau », la production a déjà atteint les débuts de la fabrication en série. La « peau de laboratoire » produite grâce à des machines est maintenant souvent utilisée pour recouvrir les brûlures.

Tumorigenèse dans un tube

Il y a deux ans, Clevers a créé une biobanque d’organoïdes provenant de cellules tumorales colorectales afin de tester les options de traitement contre les tumeurs. Avec son collègue David Truveson de Cold Spring Harbor, il a également développé une banque similaire de petits organes issus de cellules de carcinomes pancréatiques. Mais les organoïdes sont aussi un outil important comme modèle pour étudier le développement de carcinomes. Intégrer des mutations ciblées avec la technique CRISPR / Cas9 n’est plus aujourd’hui quelque chose d’exceptionnel. Deux études indépendantes ont montré comment quatre mutations séquentielles à partir d’une cellule souche de type sauvage conduisent à un adénocarcinome.

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Mini-rein provenant d’un patient © Laboratoires Benajmin Freedaman & Joseph Bonventre

En 2014, James Wells de l’Hôpital pour enfants de Cincinnati a réussi à reproduire un mini-estomac dans une boîte de Pétri. Dans cette culture, Helicobacter pylori, cette bactérie qui ravage l’estomac, s’est sentie à son aise et a donc pu être bien étudiée. A Melbourne en Australie, au cours de l’automne 2015, la culture de minuscules reins qui ressemblent à ceux à un stade précoce du développement embryonnaire a été décrite.

Deux populations précurseurs des tubules rénaux et de néphrons avaient formé un réseau de tissu conjonctif et des structures vasculaires provisoires, et cela a été accompagné par un motif d’expression génique qui ressemble à celui de l’embryon humain. Étant donné les nombreux tissus qui constituent un rein adulte, les auteurs ne veulent pas parler de la perspective d’un remplacement rénal en tube. Cependant, le mini-rein a été un bon modèle pour l’infection des indésirables E. coli qui se traduit par une urémie hémolytique due aux toxines correspondantes.

Nourriture pour le virus Zika

Les virologues ont pu étudier la réplication des virus grippaux sur un modèle de poumon d’un patient ayant un défaut de signalisation. Plus récemment, le développement d’un organe-modèle neuronal a fait avancer les recherches sur le redoutable virus Zika. À l’Université Johns Hopkins de Baltimore, des scientifiques ont infecté un organoïde prosencéphale créé à partir de cellules souches pluripotentes induites et ont ainsi pu prouver la microencéphalie causée par le virus. Les symptômes typiques de la mort cellulaire associée au virus, un ralentissement de la prolifération et une réduction du volume de la couche cellulaire apparaissent dans ce modèle de laboratoire, ainsi que in vivo chez les embryons infectés. Ainsi, il semble possible de mieux tester différentes options de traitement avant l’utilisation chez l’homme. Enfin, des chercheurs de l’Université de Yale ont pu, en utilisant des mini-cerveaux, déterminer les différences au niveau moléculaire entre les patients normaux et ceux atteints de troubles du spectre autistique.

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Infection de mini-cerveau par le virus Zika © Qian et Nguyen et al./Cell 2016

La culture de cellules du foie est quant à elle très difficile pour les experts en médecine régénérative. « Nous ne pouvons pas les maintenir ne serait-ce que quelques heures en culture», dit à ce sujet Takanori Takebe de l’Université de Yokohama City. Mais, la co-culture d’hépatoblastes provenant de cellules souches pluripotentes induites (iPS) avec des cellules souches mésenchymateuses et endothéliales permet la culture de petits « bourgeons de foie » de la taille d’une lentille, qui peuvent être comparés au foie d’un embryon de six semaines. Bien qu’un organe ne puisse se régénérer totalement à partir d’un de ces bourgeons, la réparation d’un organe empoisonné fonctionne, tout du moins dans les études animales, lorsque plusieurs douzaines de ces organoïdes coopèrent.

Ce n’est pas une alternative à l’expérimentation animale

Pour quelques-uns de ces systèmes d’organes, l’application clinique directe n’est pas si éloignée, mais beaucoup seront principalement utilisés dans la recherche fondamentale pour l’étude de l’évolution des maladies ou de la physiologie de l’organe correspondant. Même à long terme, les expériences animales ne pourront pas être complètement remplacées. Ces organoïdes en boîte de Pétri ne peuvent ainsi pas interagir avec des organes voisins et éloignés.

Par rapport aux cultures 2D de cellules d’organes, les organoïdes obtenus à partir de cellules souches sont plus proches de la physiologie de l’organisme vivant. Leur culture ont un avantage, par rapport à certaines lignées de cellules transformées, qui est que leur génome contient peu de mutations qui apparaissent généralement dans des lignées cellulaires maintenues lors de longues cultures en incubateur. Enfin, de nombreuses cultures de cellules d’organoïdes n’exigent souvent que quelques cellules souches qui se différencient grâce à des facteurs appropriés dans le tissu désiré.

Interaction avec les voisins inexistante

Cependant, les cultures d’organes 3D ont une utilité limitée pour étudier les maladies inflammatoires. L’interaction avec le système immunitaire ne peut être simulée que de manière limitée en culture. De même, la culture n’est pratiquement pas soumise à des forces biomécaniques, à l’inverse de ce qui se passe dans les organismes vivants. Les facteurs de croissance spécifiques nécessaires à cette culture sont encore insuffisamment étudiés. Par exemple on ne sait pas pourquoi la culture de mini-ovaire a jusqu’à présent toujours échoué. En outre, les causes des grandes différences phénotypiques entre les mini-organes matures d’une culture à l’autre et parfois même au sein d’une même culture ne sont pas encore décryptées. La substance utilisée pour créer la structure pourrait également jouer un rôle majeur dans ce contexte.

Néanmoins, les experts prédisent que les structures de culture cellulaire en trois dimensions ont un grand avenir. Une preuve en est l’attribution du prestigieux Prix Körber pour la science européenne. Depuis dix ans, Hans Clevers crée des petits organes à partir de cellules souches intestinales qui jouent un rôle indispensable pour tester des médicaments et étudier des tumeurs. Dans le monde, on estime qu’actuellement environ 200 laboratoires produisent de petits organes en tubes. Et il y en aura certainement encore plus dans les prochaines années.

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