Un organoïde cérébral, aussi appelé minicerveau ou cerveau miniature, est une masse de cellules mimant la structure et les fonctions principales du cerveau.
Production
Ces organoïdes sont créés en laboratoire à partir de cellules souches pluripotentes (embryonnaires ou induites) qui s'organisent de manière autonome dans un milieu nutritif, hors de tout organisme vivant.
Les cellules souches vont s'organiser en sphères, formant des « corps embryoïdes » à la surface desquels va pousser un tissu neuroectodermal.
Ces sphères seront ensuite cultivées dans un gel (matrigel) servant de support à la croissance cellulaire. Un milieu de culture favorisant la différenciation neurale des cellules souches sera alors ajouté. Enfin, les organoïdes sont cultivés sur un agitateur afin de favoriser l’absorption de nutriments.. Après environ de culture, les organoïdes cérébraux atteignent leur taille maximale (jusqu’à de diamètre). Ils sont alors composés de tissus hétérogènes complexes, similaires au cortex cérébral, au plexus choroïde et parfois à la rétine ou aux méninges, pouvant survivre indéfiniment (plus de ). Il est intéressant de noter que leur taille maximale est limitée par l'absence de système vasculaire limitant l'apport de nutriments et d'oxygène au cœur de l'organoïde, induisant une mort cellulaire.
Protocole de production Le premier protocole pour créer ces organoïdes cérébraux a été développé par un laboratoire de l' (IMBA), de l'Académie autrichienne des sciences. en 2014.
En 2019, une équipe de l'université de San Diego détecte des ondes cérébrales coordonnées dans des organoïdes cérébraux...
vignette|center|upright=2.5|À partir de cellules souches, au laboratoire de Yan Liu, des chercheurs ont fait croître des « mini‑cerveaux » imitant certaines parties du cerveau humain. a) Des cellules s'organisent en structures rappelant le cortex. b) D'autres montrent des neurones du mésencéphale, impliqués dans la dopamine. c) Cet organoïde reproduit la zone du striatum, liée aux mouvements. d) Cet organoïde évoquant le cervelet (impliqué dans la coordination)
Applications Le cerveau humain est un organe complexe composé de structures et cellules nerveuses variées. Le cerveau humain, en particulier son cortex cérébral, est lui-même plus complexe que celui des animaux utilisés généralement en laboratoire (rongeurs).
La compréhension de son développement, de ses dysfonctionnements et des maladies neurologiques qui peuvent l'affecter est limitée par l'impossibilité de reproduire fidèlement ses caractéristiques spécifiques dans le modèle animal, et l'étude des échantillons post-mortem ne permet pas d'observer ce qui se passe in vivo dans le cerveau. Dans ce contexte, les organoïdes cérébraux tridimensionnels issus de cellules souches pluripotentes se sont imposés comme un outil prometteur, permettant de recréer certaines propriétés du cerveau et d'explorer en détail ses mécanismes de formation, de dysfonctionnement et de maladie. Dans les années 2020, des progrès ont permis de générer des organoïdes plus complexes (vascularisés ou à lignées mixtes) et d'aussi utiliser des biomatériaux synthétiques et des techniques microfluidiques améliorer la maturation des organoïdes. Ils pourront servir au criblage pharmacologique et à la production de thérapie personnalisée.
Ces organoïdes, éventuellement génétiquement modifiés, peuvent par exemple aider à comprendre comment des maladies neurodégénératives, des altérations cérébrales liées à la prématurité, des infections virales responsables de neuroinflammation et d'autes pathologies neurodéveloppementales et neurodégénératives ou encore des tumeurs cérébrales apparaissent et progressent ; ces petits modèles vivants sont particulièrement utiles dans les cas ou l'étude d'une maladie est trop complexe pour utiliser des modèles in vitro, ou quand l'utilisation de tissus humains, plutôt que des modèles animaux, apporte un réel avantage pour comprendre l'évolution d'une maladie.
Les organoïdes cérébraux servent aussi de modèles biologiques pour étudier les formes d'apprentissage et de mémoire dans un jeune cerveau.
Ils sont également une base pour développer une sorte d'intelligence artificielle hybride, dite intelligence organoïde (IO), avec de premiers tests où des mini‑cerveaux cultivés en laboratoire sont reliés à des systèmes informatiques pour teter de nouvelles formes de calcul biologique. Ces recherches pourraient transformer l'IA en intégrant des propriétés émergentes des réseaux neuronaux vivants, ouvrant la voie à des applications en cognition, en modélisation des maladies et en informatique bio‑inspirée.
Modèles Microcéphalie La microcéphalie primaire est une maladie affectant le développement neural induisant une réduction significative de la taille du cerveau. Cette pathologie est difficile à reproduire chez la souris. Grâce à l'utilisation des cellules souches pluripotentes induites (cellules IPS) isolées de patient souffrant de microcéphalie, un modèle d'organoïdes cérébraux modélisant les caractéristiques de la maladie a pu être mis au point. Cet organoïde montre une différenciation neuronale précoce des cellules nerveuses induisant un déficit du stock de progéniteurs neuraux, pouvant expliquer la taille réduite du cerveau.
Virus Zika Une infection au virus Zika durant l'embryogenèse peut provoquer une microcéphalie chez le nouveau-né. L'étude d'organoïdes cérébraux exposés au virus a permis d’analyser ses effets sur le développement neuronal fœtal, et de tester des traitements, montrant dans ce cas que l’ivermectine et la duramycine pourraient peut-être chez l'Homme réduire l’infection et la perte de tissu neural.
La sclérose en plaques La sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune, inflammatoire, qui affecte le système nerveux central. La cause exacte de la maladie est encore inconnue, mais il semblerait que des facteurs génétiques et environnementaux jouent un rôle dans le développement de la maladie. Pour en apprendre plus sur le rôle des facteurs génétiques sur le développement de la SEP, une équipe a créé des organoïdes cérébraux à partir d'échantillons de patients atteint des différentes formes de la maladie. Cette étude a mis en évidence, dans les organoïdes cérébraux issus de patients atteint de SEP, une dérégulation des cellules souches neurales dans leur capacité de prolifération/différenciation induisant une baisse de la population d'oligodendrocytes, associée à une diminution de l'expression de la protéine p21. Cette équipe à par la suite mis en évidence que cette réduction de l'expression de la protéine p21 semble également être associée a un défaut de myélinisation dans des organoïdes corticaux et de moelle épinière issue de patient atteints de SEP
Maladie d'Alzheimer La maladie d'Alzheimer a également été modélisée avec des organoïdes cérébraux.
Troubles du spectre autistique
Hypoxie périnatale L’hypoxie périnatale est une cause majeure de troubles neurologiques, mais ses effets précis sur le développement précoce du cerveau humain restent difficiles à étudier. L’utilisation d’organoïdes cérébraux humains a permis de modéliser une hypoxie transitoire du cerveau en développement. Ces travaux montrent que l’hypoxie induit une apoptose immédiate et prolongée, touchant particulièrement les progéniteurs neuronaux, notamment les glies radiales externes (oRG) et les neuroblastes en différenciation. En revanche, les cellules souches neurales de la zone ventriculaire apparaissent plus résistantes et adaptent leur mode de division afin de préserver le pool de cellules souches. Ces résultats mettent en évidence une vulnérabilité dépendante du type cellulaire et du stade de développement, contribuant à mieux comprendre les mécanismes à l’origine des troubles neurodéveloppementaux liés à l’hypoxie périnatale .
Malaria
Notes et références
Voir aussi
Articles connexes Intelligence organoïde Cellule gliale Biocomputing Informatique neuromorphique
Bibliographie .
Catégorie:Cellule souche animale Catégorie:Recherche médicale