Les scientifiques ont cultivé plus de 400 types de cellules nerveuses à partir de cellules souches

Les cellules nerveuses ne sont pas que des cellules nerveuses. En les examinant de plus près, les dernières estimations suggèrent qu'il existe plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de types différents de cellules nerveuses dans le cerveau humain. Ces types diffèrent par leurs fonctions, le nombre et la longueur de leurs prolongements, ainsi que par la manière dont ils se connectent les uns aux autres. Ils libèrent différents neurotransmetteurs dans les synapses, et selon la zone du cerveau – le cortex cérébral ou le mésencéphale, par exemple – différents types de cellules sont actifs.

Lorsque les scientifiques cultivaient des cellules nerveuses à partir de cellules souches dans des boîtes de Petri pour leurs expériences, ils ne parvenaient pas à rendre compte de toute cette diversité. Jusqu'à récemment, les chercheurs avaient développé des méthodes permettant de cultiver in vitro seulement quelques dizaines de types différents de cellules nerveuses. Pour ce faire, ils utilisaient des approches de génie génétique ou ajoutaient des molécules de signalisation pour activer des voies de signalisation intracellulaires spécifiques. Mais ils n'avaient jamais réussi à capturer la diversité des centaines, voire des milliers de types différents de cellules nerveuses existant dans l'organisme.

« Les neurones dérivés de cellules souches sont souvent utilisés pour étudier les maladies. Mais jusqu'à présent, les chercheurs ignoraient souvent à quels types de neurones ils travaillaient », explique Barbara Treutlein, professeure au Département des sciences et de l'ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle.

Elle affirme toutefois que ce n’est pas la meilleure approche pour ce type de travail.

« Si nous voulons développer des modèles cellulaires pour étudier des maladies et des troubles tels que la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la dépression, nous devons prendre en compte le type spécifique de cellule nerveuse impliquée dans le processus pathologique. »

Le dépistage systématique comme clé du succès

Treutlein et son équipe ont désormais réussi à produire plus de 400 types différents de cellules nerveuses, ouvrant la voie à des recherches neurologiques fondamentales plus précises utilisant des cultures cellulaires.

Les scientifiques de l'ETH y sont parvenus en travaillant sur une culture de cellules souches pluripotentes humaines induites, dérivées de cellules sanguines. Dans ces cellules, ils ont modifié génétiquement certains gènes régulateurs neuronaux et les ont traitées avec différents morphogènes – une classe particulière de molécules de signalisation. L'équipe de Treutlein a utilisé une approche systématique: sept morphogènes dans différentes combinaisons et concentrations lors de leurs expériences de criblage. Cela a finalement permis d'obtenir près de 200 ensembles de conditions expérimentales différents.

Morphogènes

Les morphogènes sont des substances de signalisation connues grâce aux études sur le développement embryonnaire. Ils sont répartis de manière inégale dans l'embryon et, à différentes concentrations, forment des gradients spatiaux. Ainsi, ils déterminent la position des cellules dans l'embryon: par exemple, si une cellule est plus proche de l'axe du corps ou située dans le dos, sur l'abdomen, dans la tête ou le torse. Par conséquent, les morphogènes contribuent à déterminer les structures qui se formeront dans différentes parties du corps.

Les scientifiques ont utilisé diverses techniques d'analyse pour démontrer qu'ils avaient réussi à obtenir plus de 400 types différents de cellules nerveuses lors de l'expérience. Ils ont étudié l'ARN (et donc l'activité génétique) au niveau de chaque cellule, ainsi que son apparence et sa fonction, notamment les types de processus cellulaires qu'elles présentaient et les impulsions nerveuses qu'elles émettaient.

Les chercheurs ont ensuite comparé leurs données à celles de bases de données de neurones cérébraux humains. Cela leur a permis de déterminer les types de cellules nerveuses créées, comme les cellules du système nerveux périphérique ou les cellules cérébrales, ainsi que leur zone cérébrale d'origine et leur fonction: perception de la douleur, du froid, du mouvement, etc.

Neurones in vitro pour la recherche de substances actives

Treutlein a déclaré qu'ils étaient encore loin de pouvoir produire in vitro tous les types de cellules nerveuses présentes dans l'organisme. Cependant, les chercheurs ont désormais accès à un nombre bien plus important de types de cellules différents qu'auparavant.

Ils souhaitent utiliser des neurones cultivés in vitro pour développer des modèles cellulaires permettant d'étudier des maladies neurologiques graves, notamment la schizophrénie, la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, l'épilepsie, les troubles du sommeil et la sclérose en plaques. Ces modèles cellulaires présentent également un grand intérêt pour la recherche pharmaceutique, car ils permettent de tester les effets de nouveaux composés actifs en culture cellulaire sans recours aux animaux, avec pour objectif ultime de trouver un jour un remède à ces maladies.

À l’avenir, ces cellules pourraient également être utilisées pour la thérapie de remplacement cellulaire, dans laquelle les cellules nerveuses cérébrales malades ou mortes sont remplacées par de nouvelles cellules humaines.

Mais avant cela, il reste un problème à résoudre: lors de leurs expériences, les chercheurs ont souvent produit un mélange de plusieurs types de cellules nerveuses. Ils travaillent actuellement à optimiser la méthode afin que chaque condition expérimentale ne produise qu'un seul type de cellule spécifique. Ils ont déjà quelques premières idées sur la manière d'y parvenir.