Des chercheurs de l'Université de Cambridge et de Caltech ont créé des embryons modèles de souris à partir de cellules souches - les cellules maîtresses du corps, qui peuvent se développer en presque n'importe quel type de cellule dans le corps - qui ont des cœurs battants, ainsi que les fondations d'un cerveau et de tous les les autres organes du corps de la souris.

Les résultats sont l'aboutissement de plus d'une décennie de recherche et pourraient aider les chercheurs à comprendre pourquoi certains embryons échouent tandis que d'autres continuent à se développer en fœtus dans le cadre d'une grossesse saine. De plus, les résultats pourraient être utilisés pour guider la réparation et le développement d'organes humains synthétiques destinés à la transplantation.

La recherche a été menée dans le laboratoire de Magdalena Zernicka-Goetz, professeur Bren de biologie et de génie biologique à Caltech. Zernicka-Goetz est également professeur de développement des mammifères et de biologie des cellules souches au département de physiologie, développement et neurosciences de Cambridge. Un article décrivant la percée apparaît dans la revue Nature le 25 août.

Le modèle embryonnaire a été développé sans ovules ni spermatozoïdes. Au lieu de cela, les chercheurs ont imité les processus naturels en laboratoire en guidant les trois types de cellules souches trouvées au début du développement des mammifères jusqu'au point où elles commencent à interagir. En induisant l'expression d'un ensemble particulier de gènes et en créant un environnement unique pour leurs interactions, les chercheurs ont réussi à faire en sorte que les cellules souches "parlent" entre elles.

Les cellules souches se sont auto-organisées en structures qui ont progressé à travers les stades de développement successifs jusqu'à ce que les embryons synthétiques aient des cœurs battants et les fondations d'un cerveau, ainsi que le sac vitellin où l'embryon se développe et à partir duquel il reçoit des nutriments dans ses premières semaines. Il s'agit du stade de développement le plus avancé atteint à ce jour dans un modèle dérivé de cellules souches.

Une avancée majeure dans cette étude est la capacité à générer l'ensemble du cerveau, en particulier la région antérieure, qui a été un "Saint Graal" dans le développement des embryons synthétiques.

"Cela ouvre de nouvelles possibilités pour étudier les mécanismes du développement neurologique dans un modèle expérimental", déclare Zernicka-Goetz. "En fait, nous démontrons la preuve de ce principe dans l'article en supprimant un gène déjà connu pour être essentiel à la formation du tube neural, précurseur du système nerveux, et au développement du cerveau et des yeux. En l'absence de ce gène , les embryons synthétiques montrent exactement les défauts connus du développement cérébral comme chez un animal porteur de cette mutation. Cela signifie que nous pouvons commencer à appliquer ce type d'approche aux nombreux gènes dont la fonction est inconnue dans le développement cérébral."

"Notre modèle d'embryon de souris développe non seulement un cerveau, mais aussi un cœur qui bat, tous les composants qui composent le corps", explique-t-elle. "C'est tout simplement incroyable que nous soyons allés aussi loin. C'est le rêve de notre communauté depuis des années, et l'objectif principal de notre travail depuis une décennie, et finalement nous l'avons fait."

Pour qu'un embryon humain se développe avec succès, il doit y avoir un "dialogue" entre les tissus qui deviendront l'embryon et les tissus qui relieront l'embryon à la mère. Au cours de la première semaine suivant la fécondation, trois types de cellules souches se développent :l'une deviendra éventuellement les tissus du corps et les deux autres soutiendront le développement de l'embryon. L'un de ces deux derniers types, appelés cellules souches extraembryonnaires, deviendra le placenta, qui relie le fœtus à la mère et fournit de l'oxygène et des nutriments. L'autre deviendra le sac vitellin, où l'embryon se développe et à partir duquel il reçoit des nutriments au début de son développement.

De nombreuses grossesses échouent au moment où les trois types de cellules souches commencent à s'envoyer des signaux mécaniques et chimiques, qui indiquent à l'embryon comment se développer correctement.

"Cette première période est la base de tout ce qui suit pendant la grossesse", déclare Zernicka-Goetz. "Si ça tourne mal, la grossesse échouera."

Au cours de la dernière décennie, l'équipe de Zernicka-Goetz a étudié ces premiers stades de la grossesse pour comprendre pourquoi certaines grossesses échouent et d'autres réussissent.

"Le modèle d'embryon de cellules souches est important car il nous donne accès à la structure en développement à un stade qui nous est normalement caché en raison de l'implantation du petit embryon dans le ventre de la mère", explique Zernicka-Goetz. "Cette accessibilité nous permet de manipuler les gènes pour comprendre leurs rôles développementaux dans un système expérimental modèle."

Pour guider le développement de leur embryon synthétique, les chercheurs ont réuni des cellules souches en culture représentant chacun des trois types de tissus et leur ont permis de se développer dans des proportions et un environnement propices à leur croissance et à leur communication entre elles, aboutissant à leur auto- assemblage dans un embryon.

Les chercheurs ont découvert que les cellules extra-embryonnaires envoient des signaux aux cellules embryonnaires par des signaux chimiques mais aussi de manière mécaniste, ou par le toucher, guidant le développement de l'embryon.

"Cette période de la vie humaine est si mystérieuse, alors pour pouvoir voir comment cela se passe dans un plat - pour avoir accès à ces cellules souches individuelles, pour comprendre pourquoi tant de grossesses échouent et comment nous pourrions être en mesure d'empêcher que cela se produise – est assez spécial », dit Zernicka-Goetz. "Nous avons examiné le dialogue qui doit se produire entre les différents types de cellules souches à ce moment-là. Nous avons montré comment cela se produit et comment cela peut mal tourner."

Alors que la recherche actuelle a été menée sur des modèles de souris, les chercheurs développent un modèle analogue pour le développement de l'embryon humain afin de comprendre les mécanismes derrière des processus cruciaux qui seraient autrement impossibles à étudier dans de vrais embryons.

Si ces méthodes s'avèrent efficaces avec les cellules souches humaines à l'avenir, elles pourraient également être utilisées pour guider le développement d'organes synthétiques pour les patients en attente de greffe. "Il y a tellement de gens dans le monde qui attendent des années pour des greffes d'organes", déclare Zernicka-Goetz. "Ce qui rend notre travail si excitant, c'est que les connaissances qui en découlent pourraient être utilisées pour développer des organes humains synthétiques corrects afin de sauver des vies qui sont actuellement perdues. Il devrait également être possible d'affecter et de guérir des organes adultes en utilisant les connaissances que nous avons sur comment ils sont fabriqués."

L'article s'intitule "Des embryons de souris dérivés de cellules souches se développent dans un sac vitellin extra-embryonnaire pour former des régions cérébrales antérieures et un cœur battant". Les co-premiers auteurs sont Gianluca Amadei et Charlotte Handford de l'Université de Cambridge. + Explorer plus loin

Les chercheurs construisent des structures ressemblant à des embryons à partir de cellules souches humaines