Nouvelles découvertes sur le développement des membres en utilisant des organoïdes

Le développement des membres est un processus complexe où différentes cellules bossent ensemble. Une partie cruciale de ce processus est le centre de signalisation appelé crête ectodermique apicale (AER). Ce centre aide à guider la croissance et la forme des membres en relâchant une série de signaux, ou Morphogènes, qui indiquent aux autres cellules quoi faire. L'AER se trouve dans les membres en développement des vertébrés et est formée par des cellules de l'ectoderme de surface.

Pendant le développement des membres, l'AER crée des gradients de morphogènes comme les FGFs, BMPs, WNTs, TGFBs et DELTAs. Ces signaux influencent la croissance et le type de cellules qui se développent dans le Mésoderme, la couche de cellules sous l'ectoderme de surface. Certaines de ces cellules mésodermiques finissent par former du cartilage et des tissus conjonctifs.

Mais étudier ces processus chez des organismes vivants, c'est pas évident. Les méthodes actuelles ne permettent souvent que d'observer les interactions au niveau des tissus ou des gènes. Il faut de meilleurs systèmes pour étudier comment les centres de signalisation et leurs interactions influencent le développement des membres sans les restrictions des expériences en direct.

#Le Rôle des Organoïdes dans la Recherche

Les organoïdes, ces petites structures faites de cellules souches, offrent une solution prometteuse. Ils peuvent être facilement observés et manipulés, ce qui les rend précieux pour comprendre comment les cellules s'organisent pendant le développement. Bien que de nombreux organoïdes se concentrent sur des types de cellules uniques, le développement des membres nécessite plusieurs types de cellules, y compris celles de l'ectoderme et du mésoderme.

Des avancées récentes ont montré qu'on pouvait créer des modèles qui imitent le développement des membres en combinant les bons types de cellules. Malgré ces progrès, les modèles précédents se basaient beaucoup sur les cellules du mésoderme, négligeant le rôle de l'ectoderme et de l'AER. Un nouveau modèle 3D a été développé pour mieux inclure les cellules de l'ectoderme, mais il a encore ses limites.

#Création d'un Nouveau Modèle d'Organoïde de Membres

Pour mieux comprendre le développement des membres, les chercheurs ont créé un nouveau système d'organoïdes à partir de cellules souches embryonnaires de souris (mESCs). L'objectif était de produire des cellules semblables à celles de l'AER et d'étudier comment différents types de cellules s'organisent.

Pour commencer, les chercheurs ont utilisé une méthode pour créer des cellules ressemblant à de l'ectoderme de surface à partir de mESCs. Cela a été réalisé avec des produits chimiques spécifiques qui encouragent la formation des bons types de cellules. Après cette étape, ils ont activé les voies nécessaires à la formation de l'AER, ce qui a conduit à l'expression de gènes importants de l'AER.

Après une semaine, des amas de cellules ressemblant à l'AER ont été identifiés. La combinaison de ces cellules avec des propriétés mésodermiques a créé une culture diversifiée qui ressemblait à des cellules de bourgeon de membre. Cette culture montrait un mélange de cellules épithéliales et mésenchymateuses, indiquant une différenciation cellulaire réussie.

#Observation des Interactions et Caractéristiques Cellulaires

Pour évaluer comment ces cellules interagissaient, les chercheurs ont réalisé un séquençage d'ARN à cellule unique (scRNA-Seq). Cela a aidé à identifier les types de cellules présentes et leurs relations. Sur plusieurs jours, ils ont observé des transitions des cellules souches vers des types cellulaires plus différenciés.

Au cinquième jour, plusieurs amas de cellules ont commencé à exprimer des marqueurs typiques de l'ectoderme et du mésoderme. Au septième jour, les cultures montraient une variété de types cellulaires associés au développement des membres. Cela montrait que les cellules ressemblant à l'AER influençaient fortement le mésoderme et l'ectoderme environnants.

Les chercheurs ont également découvert que beaucoup de cellules exprimaient des gènes spécifiques liés au développement des membres, mais pas toutes les cellules n'exprimaient chaque marqueur. Certaines cellules mésodermiques semblaient maintenir leur identité, suggérant des interactions complexes entre différents types de cellules.

#Auto-Organisation et Formation de Dômes

Une observation passionnante a été que les cultures ont commencé à s'auto-organiser en structures en forme de dôme. C'était significatif car cela indiquait que les cellules pouvaient former des structures organisées dans un environnement bidimensionnel. Les couches externes de ces dômes étaient couvertes de cellules exprimant des marqueurs spécifiques, tandis que les zones internes contenaient des cellules ressemblant au mésoderme.

Dans des environnements tridimensionnels, les chercheurs ont découvert que ces agrégats pouvaient maintenir leur forme et même commencer à s'allonger. Lorsque les cellules étaient traitées avec des signaux spécifiques, elles montraient une augmentation marquée de la rupture de symétrie, ce qui est crucial pour une bonne formation des membres.

Pour tester cela, des agrégats ont été formés à partir de cellules dérivées de cellules souches, puis traités avec FGF8b et WNT3A. Ces traitements ont considérablement amélioré la symétrie et l'allongement des structures, suggérant que les interactions entre les cellules de l'ectoderme et du mésoderme étaient essentielles pour le développement.

#Comparaison avec des Cellules de Membres Vivantes

Les chercheurs ont également examiné si les cellules de membres provenant de véritables embryons de souris pouvaient se comporter de manière similaire dans leur système développé. Ils ont récolté et dissocié des membres et traité ces cellules avec les mêmes facteurs de croissance. Étonnamment, ces cellules dérivées in vivo ont montré un comportement d'organisation similaire à celui des agrégats dérivés de cellules souches, renforçant la validité du modèle.

#L'Importance du Mésoderme dans le Développement des Membres

En regardant de plus près ces structures, les chercheurs se sont concentrés sur le rôle du mésoderme. Des preuves ont montré que les cellules mésodermiques avaient le potentiel de se différencier en cellules formant du cartilage. En suivant l'expression génique, ils ont trouvé que les cellules mésodermiques commençaient à montrer des marqueurs typiques des chondrocytes après une rupture de symétrie.

C'était une découverte significative car cela indiquait que le mésoderme non seulement aide à façonner le membre mais joue aussi un rôle dans la création de cartilage. Lorsque certaines voies étaient inhibées, la rupture de symétrie et l'allongement étaient sévèrement affectés, soulignant encore l'importance du mésoderme dans le développement des membres.

#Évaluation des Effets des Cellules du Centre de Signalisation

Dans la prochaine phase de la recherche, les scientifiques ont testé l'impact des cellules ressemblant à l'AER sur le mésoderme. Ils ont créé des "budoïdes recombinants" en combinant différents types de cellules. Cela leur a permis d'observer comment les cellules ressemblant à l'AER interagissaient avec le mésoderme et l'ectoderme de surface.

À travers diverses combinaisons, ils ont découvert que les cellules mésodermiques combinées avec des cellules ressemblant à l'AER montraient un allongement et une rupture de symétrie plus significatifs que celles combinées avec des cellules de l'ectoderme de surface. Les cellules ressemblant à l'AER semblaient influencer positivement le mésoderme tout en supprimant la chondrogénèse dans les cellules voisines.

Cependant, lorsque le mésoderme était combiné avec l'ectoderme de surface, les schémas de croissance attendus n'émergeaient pas. Cela suggère que les cellules ressemblant à l'AER avaient un rôle distinct à jouer dans l'influence de la nature de la différenciation mésodermique sans promouvoir le même effet lorsqu'elles étaient associées à l'ectoderme de surface.

#Conclusion

En conclusion, la recherche a présenté une nouvelle approche pour étudier le développement des membres en utilisant des organoïdes dérivés de cellules souches. Ce modèle imite avec succès certains aspects de la morphogenèse des membres et offre des idées sur les rôles des centres de signalisation comme l'AER.

En affinant ce modèle, les chercheurs peuvent explorer comment différentes cellules interagissent pendant le développement et la régénération des membres. Les résultats pourraient contribuer de manière significative au domaine de la médecine régénérative, aidant les scientifiques à développer de meilleures méthodes pour la réparation des tissus et la compréhension des troubles congénitaux.

Cette recherche ouvre des voies pour d'autres études qui pourraient mener à des percées dans la régénération des membres et préparer le terrain pour des thérapies qui pourraient un jour aider à guérir des blessures ou des déformations liées aux structures des membres. La capacité de créer des modèles auto-organisateurs permettra un dépistage à haut débit des conditions qui favorisent le développement des membres et soutiendra une meilleure compréhension de la manière dont différents chemins de signalisation interagissent au sein des tissus en développement.