Des scientifiques développent des réseaux de neurones humains fonctionnels en 3D à partir de cellules souches

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Une équipe de chercheurs dirigés par l’Université Tufts a développé des modèles tridimensionnels (3D) de culture de tissus humains pour le système nerveux central, qui imitent les caractéristiques structurelles et fonctionnelles du cerveau et démontrent une activité neuronale soutenue pendant plusieurs mois. 

Avec la possibilité de peupler une matrice 3D de protéine de soie et de collagène avec des cellules de patients atteints de la maladie d’Alzheimer, de la maladie de Parkinson et d’autres conditions, les modèles tissulaires permettent d’explorer les interactions cellulaires, la progression de la maladie et la réponse au traitement. Le développement et la caractérisation des modèles sont décrits aujourd’hui dans ACS Biomaterials Science & Engineering , un journal de l’American Chemical Society.

Les nouveaux modèles de tissus cérébraux 3D surmontent un défi majeur des modèles précédents, à savoir la disponibilité des neurones sources. Cela est dû au fait que les tissus neurologiques sont rarement prélevés sur des patients en bonne santé et ne sont généralement disponibles que post-mortem chez des patients malades. Les modèles de tissus 3D sont plutôt peuplés de cellules souches pluripotentes induites par l’homme (CSPi) pouvant provenir de nombreuses sources, y compris la peau du patient. Les CSPi sont générés en ramenant le précurseur de type embryonnaire sur le développement cellulaire. Ils peuvent ensuite être composés à nouveau vers n’importe quel type de cellule, y compris les neurones.

Les modèles de tissus cérébraux 3D résultaient d’un effort de collaboration entre l’ingénierie et les sciences médicales. Ils comprenaient des chercheurs de l’école d’ingénierie de l’Université Tufts, de l’école de médecine de l’Université Tufts, de l’école de sciences biomédicales Sackler de Tufts et du laboratoire Jackson.

“Nous avons trouvé les conditions propices à la différenciation des iPSC en un certain nombre de sous-types de neurones, ainsi que d’astrocytes prenant en charge les réseaux de neurones en croissance”, a déclaré David L. Kaplan, Ph.D., professeur d’ingénierie de la famille Stern, président du département de génie biomédical de la Tufts ‘School of Engineering et membre du corps professoral du programme de la Sackler School of Graduate Sciences biomédicales de la Tufts. “Les échafaudages de soie et de collagène fournissent le bon environnement pour produire des cellules avec les signatures génétiques et la signalisation électrique trouvées dans les tissus neuronaux natifs.”

Comparée à la croissance et à la culture de cellules à deux dimensions, la matrice tridimensionnelle fournit un mélange beaucoup plus complet de cellules présentes dans le tissu neural, avec la morphologie et l’expression appropriées des récepteurs et des neurotransmetteurs, selon le document.

D’autres ont utilisé les CSPi pour créer des organoïdes semblables à ceux du cerveau, qui sont de petites structures sphériques denses utiles pour comprendre le développement et la fonction du cerveau, mais peuvent rendre difficile la compréhension de ce que font les cellules individuelles en temps réel. En outre, les cellules situées au centre des organoïdes risquent de ne pas recevoir suffisamment d’oxygène ou de nutriments pour fonctionner à l’état natif. La structure poreuse des cultures tissulaires 3D décrites dans cette étude fournit une oxygénation importante, un accès aux nutriments et une mesure des propriétés cellulaires. Une fenêtre claire au centre de chaque matrice 3D permet aux chercheurs de visualiser la croissance, l’organisation et le comportement de cellules individuelles.

“La croissance des réseaux de neurones est soutenue et très constante dans les modèles tissulaires 3D, que nous utilisions des cellules d’individus en bonne santé ou des cellules de patients atteints de la maladie d’Alzheimer ou de la maladie de Parkinson”, a déclaré William Cantley, Ph.D., diplômé de Cell en 2018, Programme de biologie moléculaire et de développement à la Sackler School of Graduate Sciences en sciences biomédicales à Tufts et premier auteur de l’étude, achevée dans le cadre de son doctorat. thèse. “Cela nous donne une plate-forme fiable pour étudier différentes maladies et la capacité d’observer ce qui arrive aux cellules à long terme.”

Les chercheurs envisagent de tirer davantage parti des modèles tissulaires 3D avec des techniques d’imagerie avancées et de l’ajout d’autres types de cellules, telles que la microglie et les cellules endothéliales, afin de créer un modèle plus complet de l’environnement cérébral et des interactions complexes impliqué dans la signalisation, l’apprentissage et la plasticité, et la dégénérescence.

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