Des chercheurs du Medicine By Design de l'Université de Toronto ont conçu une nouvelle plate-forme pour étudier les premières étapes du développement humain en laboratoire, tirer le rideau sur les processus biologiques clés qui se sont déroulés jusqu'à présent à l'intérieur de l'utérus, au-delà du regard des scientifiques.

Considéré comme le premier du genre au Canada, la technologie permet aux cellules souches embryonnaires humaines de s'auto-organiser en une structure aux caractéristiques embryonnaires, y compris les précurseurs précoces d'organes tels que le cerveau, le coeur et le foie.

Les chercheurs qui cherchent à traiter les maladies en exploitant la capacité du corps humain à s'auto-renouveler cherchent depuis longtemps à comprendre ces processus, car ils pensent qu'ils détiennent des connaissances qui pourraient être essentielles pour faire progresser de nouvelles thérapies de médecine régénérative. Mais des obstacles techniques, les préoccupations éthiques et les restrictions légales les ont empêchés d'étudier ces étapes cruciales de développement des embryons humains en laboratoire. C'est pourquoi les chercheurs se tournent vers la bio-ingénierie des cellules souches pour obtenir des réponses.

"Comme c'est un artificiel, environnement conçu qui peut imiter certains des principes d'organisation fondamentaux que nous pensons être importants pour le développement de l'embryon humain, notre plate-forme a le potentiel d'atténuer certains des défis associés à l'étude des embryons humains en laboratoire et de fournir des conseils très utiles sur la façon dont les premières étapes du développement humain commencent, " dit Mukul Tewary, un candidat au doctorat à l'Institut des biomatériaux et du génie biomédical (IBBME) de l'Université de Toronto. Il est l'auteur principal d'un article décrivant la plateforme qui paraîtra en novembre dans un numéro spécial de Développement et a été prépublié sur le site Web de la revue.

"Savoir cela peut non seulement nous donner un aperçu d'un point de vue biologique de base sur la façon dont nous arrivons à être, mais aussi fournir des informations clés qui peuvent être très précieuses dans le domaine de la médecine régénérative dans son ensemble, " dit Tewary.

Alors que quelques études aux États-Unis ont déjà démontré la structuration "synthétique" des embryons, La plate-forme de Tewary fait progresser la technologie de manière importante qui, selon lui, permettra aux chercheurs de commencer à tester les hypothèses qu'ils ont formulées sur la biologie du développement humain précoce sur la base d'études animales et de modélisation mathématique. Finalement, les chercheurs espèrent que ces informations pourraient les rapprocher d'un objectif de longue date de la médecine régénérative :utiliser des cellules souches pour développer de nouveaux tissus et organes en laboratoire pour remplacer ceux qui ont été endommagés par la maladie.

Mais les scientifiques, les éthiciens et les décideurs politiques devront naviguer parmi les questions épineuses que soulèvent ces nouvelles plateformes. "Jusqu'à récemment, ce n'était même pas quelque chose que les bioéthiciens avaient envisagé, " dit Tewary.

Les structures ressemblant à des embryons humains n'ont aucun potentiel pour se développer en êtres humains car elles proviennent d'une feuille de cellules souches embryonnaires humaines, plutôt que d'un ovule fécondé par un spermatozoïde. Néanmoins, leur avènement remet en cause notre définition de ce qu'est un embryon.

Jusque récemment, il n'était techniquement pas possible pour les chercheurs de maintenir des embryons humains en vie dans une boîte au-delà du point où ils s'implanteraient normalement dans l'utérus – environ sept jours après la fécondation. Même s'ils pouvaient rester viables au-delà de ce point, un consensus juridique et réglementaire international vieux de plusieurs décennies, inscrit au Canada dans la Loi sur la procréation assistée, interdit aux scientifiques de cultiver des embryons humains intacts en laboratoire au-delà de 14 jours. C'est à ce moment que l'embryon commence à s'auto-organiser le long d'un axe tête-bêche connu sous le nom de strie primitive, et juste avant la gastrulation, lorsque le disque monocouche de cellules appelé épiblaste forme trois couches distinctes qui finissent par devenir différents types d'organes.

Les bioéthiciens et les scientifiques ont opté pour le seuil de 14 jours parce qu'ils voulaient arrêter la croissance des embryons cultivés en laboratoire avant même que les précurseurs des cellules cérébrales ne commencent à se former, en évitant les débats sur le moment où la conscience et la capacité à ressentir la douleur commencent.

Des avancées récentes permettent aux scientifiques de cultiver des embryons humains dans une boîte pendant de plus longues périodes, un peu moins de 14 jours. Ce développement, ainsi que la création de plates-formes d'ingénierie qui donnent naissance à des cellules souches, structures embryonnaires, ont « mis la biologie du développement humain sur une trajectoire de collision avec la « règle des 14 jours », " un commentaire l'an dernier dans Nature a prévenu. Ou, comme le dit un titre récent dans le MIT Review of Technology, "Les embryons humains artificiels arrivent, et personne ne sait comment les gérer."

Les scientifiques n'en sont pas encore là, mais les progrès sont rapides. Au cours des trois dernières années, plusieurs équipes de recherche ont modélisé le développement embryonnaire précoce en laboratoire en plaçant des cellules souches embryonnaires humaines sur des surfaces à micro-motifs, qui leur permettent de contrôler où et comment les cellules collent. Ils ont ensuite utilisé différents milieux pour induire la croissance et la différenciation.

La plate-forme développée par Tewary et ses collègues dans les laboratoires du professeur universitaire Peter Zandstra et du professeur agrégé IBBME Rodrigo Fernandez-Gonzalez améliore ce travail de deux manières. L'équipe de recherche a utilisé la lithographie par lumière ultraviolette pour transférer des micro-motifs sur une plaque recouverte de polymère, augmenter l'efficacité et la robustesse du processus de structuration par rapport à d'autres techniques. Et contrairement à d'autres plateformes, le leur est à haut débit, leur permettant de créer plusieurs milliers de structures semblables à des embryons et de tester leurs réponses à une variété de conditions différentes dans chaque expérience.

Les deux innovations leur ont permis d'identifier avec une plus grande précision les signaux et les signaux à l'origine du développement précoce des embryons humains. Tewary examine maintenant comment d'autres événements de développement, comme la structuration neuronale, peut être cajolé hors du système. Ils pourraient fournir des informations sur la gastrulation, qui se produit environ 14 jours après la fécondation, soulevant des questions sur la façon d'équilibrer les considérations éthiques et juridiques avec des découvertes qui pourraient fondamentalement transformer la science et la médecine.

À mesure que ces plates-formes d'ingénierie deviennent plus sophistiquées, les chercheurs et les bioéthiciens craignent que les règles actuelles concernant la recherche sur les embryons soient inadéquates pour ce qui pourrait nous arriver, surtout si les structures de type embryonnaire dérivées de cellules souches commencent à présenter des caractéristiques qui émergent dans les embryons humains bien après les 14 premiers jours de développement.

Certains appellent à un large débat international sur la question de savoir si la règle des 14 jours devrait être réexaminée. L'année dernière, la Société internationale pour la recherche sur les cellules souches a mis à jour ses directives sur la recherche sur les cellules souches pour « reconnaître que le développement de modèles in vitro de plus en plus complexes des premiers stades du développement humain devrait faire l'objet d'un examen spécialisé ».

D'autres soutiennent qu'un simple ajustement de la règle des 14 jours peut ne pas suffire. Plus tôt cette année, des chercheurs de la Harvard Medical School et de l'Université de Groningen ont fait valoir qu'essayer d'anticiper l'émergence de « caractéristiques moralement préoccupantes » basées sur des jalons de développement tels que la séquence primitive ne traitera pas de manière adéquate les structures de type embryonnaire qui peuvent sauter des étapes ou se développer le long de différentes délais. Ils ont suggéré, au lieu, que les limites éthiques devraient « être fondées aussi directement que possible sur la génération de telles caractéristiques, " avec des chercheurs et des bioéthiciens travaillant ensemble pour développer les règles.

Mais même une fois qu'un consensus est atteint, tout changement pourrait prendre des années étant donné la mosaïque internationale de lois et de directives scientifiques qui régissent la recherche sur l'embryon.

Zandstra, le superviseur de Tewary, a déclaré qu'il était enthousiasmé par les nouvelles pistes pour répondre aux questions biologiques fondamentales et créer des structures semblables à des organes que cette plate-forme ouvre, ainsi que les opportunités qu'elle offre pour une discussion plus large.

« Cela catalyse des aspects juridiques intéressants et importants, conversations sociales et éthiques qui sont cruciales pour le Canada à affronter et à mener, " dit Zandstra, qui est titulaire de la Chaire de recherche du Canada en bio-ingénierie des cellules souches et est également directeur des Laboratoires Michael Smith et de l'École de génie biomédical de l'Université de la Colombie-Britannique. "En tant que bio-ingénieur, il n'y a pas grand-chose de plus à demander à un projet."

Le numéro spécial de Développement célébrant le 100e anniversaire de la publication de D'Arcy Thompson Sur la croissance et la forme , un livre fondateur sur l'application des mathématiques à la biologie, sera publié le 28 novembre.