Les organoïdes aident les chercheurs à comprendre les processus biologiques liés à la santé et à la maladie. Il est cependant difficile d’influencer la manière dont ils s’organisent en tissus complexes. Aujourd’hui, un groupe dirigé par Nikolaus Rajewsky a trouvé une nouvelle façon d’y parvenir. Ils rapportent leur travail dans Mother nature Solutions.
Ils ressemblent à des nuages d’orage qui pourraient tenir sur une tête d’épingle : les organoïdes sont des cultures cellulaires tridimensionnelles qui jouent un rôle clé dans la recherche médicale et clinique. Cela est dû à leur capacité à reproduire les constructions tissulaires et les fonctions des organes dans la boîte de Pétri. Les scientifiques peuvent utiliser les organoïdes pour comprendre comment les maladies surviennent, comment les organes se développent et comment fonctionnent les médicaments. Les technologies unicellulaires permettent aux chercheurs d’approfondir jusqu’au niveau moléculaire des cellules. Grâce à la transcriptomique spatiale, ils peuvent observer quels gènes des organoïdes sont actifs et où au fil du temps.
Les organes miniatures proviennent généralement de cellules souches. Ce sont des cellules qui ne se sont pas du tout différenciées, ou très peu. Ils peuvent devenir n’importe quel style de cellule, comme des cellules cardiaques ou rénales, des cellules musculaires ou des neurones. Pour différencier les cellules souches, les scientifiques les « nourrissent » avec des facteurs de croissance et les intègrent dans une remedy nutritive. Là, les cellules se regroupent en minuscules amas et commencent à fonctionner et à interagir comme si elles se trouvaient dans un véritable tissu. Auparavant, il était presque not possible de contrôler ce processus. Mais maintenant, des chercheurs dirigés par le professeur Nikolaus Rajewsky, directeur de l’Institut berlinois de biologie des systèmes médicaux du Centre Max Delbrück (MDC-BIMSB), ont publié un post dans Character Approaches décrivant la technologie qu’ils ont utilisée pour initier et contrôler le processus, et observez-le à travers le temps et l’espace. « Nous avons combiné la transcriptomique spatiale avec l’optogénétique », explique l’auteur principal, le Dr Ivano Legnini. « Cela nous permet à la fois de contrôler l’expression des gènes dans les cellules vivantes et d’observer leur comportement. »
Utiliser des capteurs de lumière pour activer ou bloquer des gènes
En optogénétique, des « capteurs de lumière » naturels ou artificiels sont insérés dans les cellules. Si la lumière atteint les capteurs, ils activent ou bloquent les gènes des cellules, selon la façon dont ils sont programmés. Legnini a installé ces capteurs de lumière dans des cellules précurseurs neuronales dérivées de cellules souches qui se réuniraient pour former des organoïdes neuraux. Il a travaillé là-dessus avec l’équipe de la plateforme technologique organoïde dirigée par le Dr Agnieszka Rybak-Wolf et avec le laboratoire de biologie des systèmes de différenciation des tissus neuronaux dirigé par le Dr Robert Patrick Zinzen. Les chercheurs voulaient découvrir comment le système nerveux se développe chez l’embryon humain. Les molécules appelées morphogènes jouent un rôle clé dans le processus. Ils signalent aux progéniteurs neuronaux s’ils doivent devenir des neurones fonctionnant par exemple à l’avant du cerveau ou à l’arrière de la moelle épinière. La combinaison de ces molécules produit des modèles typiques d’expression génique au cours du développement.
Les chercheurs ont utilisé la lumière pour activer un morphogène appelé Sonic Hedgehog. Leurs analyses unicellulaires spatialement résolues ultérieures ont montré que les cellules répondaient en s’organisant en organoïdes à motifs stéréotypés. Les chercheurs ont créé la lumière de deux manières : en utilisant soit un microscope laser, soit un dispositif à micromiroir numérique, développé par le groupe de Rajewsky en collaboration avec le Dr Andrew Woehler. À l’époque, le Dr Woehler dirigeait la plateforme d’imagerie de biologie systémique au Centre Max Delbrück. Depuis novembre 2022, il dirige le centre de technologie expérimentale Janelia du Howard Hughes Professional medical Institute à Ashburn, en Virginie, aux États-Unis. Le microscope à micromiroirs est équipé d’une puce contenant plusieurs centaines de milliers de petits miroirs. Ceux-ci peuvent être programmés pour que le microscope puisse, contrairement à un laser qui n’atteint qu’un seul stage, produire des motifs lumineux complexes sur un échantillon.
Précis – avec marge d’amélioration
« Notre méthode nous permet de reproduire très précisément, dans la boîte de Pétri, les processus liés à l’expression des gènes dans les tissus », explique Legnini. En mars de cette année, il a commencé à créer son propre groupe de travail au Human Technopole de Milan, en Italie. Ses strategies pour le groupe incluent l’amélioration de la résolution spatiale et temporelle de la technologie et la rendre utilisable pour d’autres organoïdes.
Rajewsky souhaite également affiner la méthode : « Je suis vraiment impatient de travailler avec des experts en optogénétique pour améliorer davantage la technologie et l’appliquer à des modèles organoïdes humains cliniquement pertinents. »
