Développement embryonnaire dans une boîte de Pétri

En cultivant des cellules souches de souris dans un gel spécial, une équipe de recherche berlinoise a réussi à cultiver des structures similaires à des parties d’un embryon.

Les structures en forme de tronc développent les précurseurs des tissus neuraux, osseux, cartilagineux et musculaires à partir d’amas cellulaires en cinq jours. Cela pourrait permettre d’étudier plus efficacement les effets des agents pharmacologiques à l’avenir – et à une échelle qui ne serait pas possible dans les organismes vivants. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Cela épargnerait certainement aux mères les difficultés de la grossesse, mais les mammifères ne poussent pas dans les œufs. D’une certaine manière, cela n’est pas non plus pratique pour la science. Alors que les embryons de poissons, d’amphibiens ou d’oiseaux peuvent être facilement observés en croissance, le développement des mammifères échappe au regard de l’observateur dès que l’embryon s’implante dans l’utérus. C’est précisément le moment où l’embryon subit de profonds changements de forme et développe des précurseurs de divers organes – un processus extrêmement complexe qui laisse de nombreuses questions sans réponse.

Mais maintenant, une équipe de recherche de l’Institut Max Planck de génétique moléculaire (MPIMG) à Berlin a réussi à reproduire pour la première fois une phase centrale du développement embryonnaire dans une approche de culture cellulaire en cultivant pour la première fois la partie centrale du tronc à partir de cellules souches embryonnaires de souris. La méthode récapitule les premiers processus générateurs de forme du développement embryonnaire dans la boîte de Pétri.

Les structures mesurent environ un millimètre et possèdent un tube neural à partir duquel la moelle épinière se développerait. De plus, ils ont des somites, qui sont les précurseurs du squelette, du cartilage et du muscle. Certaines des structures développent même les précurseurs d’organes internes tels que l’intestin. Après environ cinq jours, les parallèles avec le développement normal se terminent.

«Ce modèle de développement embryonnaire ouvre une nouvelle ère», déclare Bernhard G. Herrmann, directeur du MPIMG et directeur de l’Institut de génétique médicale de la Charité – Universitätsmedizin Berlin. « Cela nous permet d’observer l’embryogenèse de la souris directement, en continu et avec de grands nombres parallèles d’échantillons – ce qui ne serait pas possible chez l’animal. »

Il est considéré comme assez facile d’isoler les embryons précoces du tube ou de l’utérus et de les cultiver dans la boîte de Pétri, tant qu’ils sont encore libres de se déplacer. Mais une fois l’embryon implanté dans l’endomètre, l’isolement devient extrêmement difficile.

«Nous pouvons obtenir des résultats plus détaillés plus rapidement, et sans avoir besoin de recherche animale», déclare Alexander Meissner, qui comme Herrmann est directeur au MPIMG et a supervisé conjointement l’étude qui a été publiée dans le numéro actuel de la revue Science. « Parmi les processus plus complexes tels que la morphogenèse, nous n’obtenons généralement que des instantanés – mais cela change avec notre modèle. »

Un gel apporte soutien et orientation spatiale

Jusqu’à présent, il n’a été possible de cultiver des grappes cellulaires qu’à partir de cellules souches embryonnaires, appelées gastruloïdes. « Les assemblages cellulaires dans les gastruloïdes se développent dans une mesure similaire à celle de nos structures en forme de tronc, mais ils ne prennent pas l’apparence typique d’un embryon », explique Jesse Veenvliet, l’un des deux principaux auteurs de l’étude. « Les grappes de cellules n’ont pas les signaux qui déclenchent leur organisation dans un arrangement significatif. »

Dans la culture cellulaire, le signal requis est généré par un gel spécial qui imite les propriétés de la matrice extracellulaire. Cette substance gélatineuse consiste en un mélange complexe de molécules de protéines étendues qui est sécrétée par les cellules et se trouve dans tout le corps sous forme de matériau de remplissage élastique, en particulier dans les tissus conjonctifs. L’utilisation de ce gel est le «truc» crucial de la nouvelle méthode.

«Le gel fournit un support aux cellules cultivées et les oriente dans l’espace; elles peuvent distinguer l’intérieur de l’extérieur, par exemple», explique Veenvliet. Il empêche également les molécules sécrétées telles que la protéine de matrice fibronectine de s’infiltrer dans le milieu de culture cellulaire. « Les cellules sont capables d’établir une meilleure communication, ce qui conduit à une meilleure auto-organisation. »

Cellules aux propriétés similaires à celles de l’embryon

Après quatre à cinq jours, l’équipe a dissous les structures en cellules individuelles et les a analysées individuellement. «Même si tous les types de cellules ne sont pas présents dans les structures en forme de tronc, ils sont étonnamment similaires à un embryon du même âge», explique Adriano Bolondi, qui est également l’auteur principal de l’article. En collaboration avec la bioinformaticienne Helene Kretzmer, Bolondi et Veenvliet ont comparé l’activité génétique des structures avec de vrais embryons de souris. «Nous avons constaté que tous les gènes marqueurs essentiels étaient activés au bon moment aux bons endroits dans les embryoïdes, seul un petit nombre de gènes étant hors ligne», explique Bolondi.

Les chercheurs ont introduit une mutation avec des effets sur le développement connus dans leur modèle et ont pu recréer les résultats à partir d’embryons «réels», validant ainsi leur modèle. Ils fournissent également des exemples de manipulation du processus de développement avec des agents chimiques.