Une équipe de scientifiques de l’Université du Wisconsin-Madison a développé le premier tissu cérébral imprimé en 3D capable de se développer et de fonctionner comme un tissu cérébral typique.
Il s’agit d’une réalisation ayant des implications importantes pour les scientifiques qui étudient le cerveau et travaillent sur des traitements pour un large éventail de troubles neurologiques et neurodéveloppementaux tels que la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson.
“Cela pourrait être un modèle extrêmement puissant pour nous aider à comprendre comment les cellules cérébrales et certaines parties du cerveau communiquent chez l’homme”, explique Su-Chun Zhang, professeur de neurosciences et de neurologie au Waisman Center de l’UW-Madison. «Cela pourrait changer notre façon de voir la biologie des cellules souches, les neurosciences et la pathogenèse de nombreuses maladies neurologiques et psychiatriques.»
Les méthodes d’impression ont limité le succès des tentatives précédentes d’impression de tissus cérébraux, selon Zhang et Yuanwei Yan, un scientifique du laboratoire de Zhang. Le groupe à l’origine du nouveau procédé d’impression 3D a décrit aujourd’hui sa méthode dans le magazine cellule cellule souche.
Au lieu d’utiliser l’approche traditionnelle de l’impression 3D consistant à empiler les couches verticalement, les chercheurs ont opté pour une approche horizontale. Ils ont placé des cellules cérébrales, des neurones issus de cellules souches pluripotentes induites, dans un gel « bio-encre » plus doux que lors des expériences précédentes.
“Le tissu a encore suffisamment de structure pour tenir ensemble, mais il est suffisamment mou pour que les neurones se développent les uns dans les autres et se parlent”, explique Zhang.
Les cellules sont placées les unes à côté des autres comme des crayons les uns à côté des autres sur une table.
“Nos tissus restent relativement fins, ce qui permet aux neurones d’obtenir facilement suffisamment d’oxygène et de nutriments du milieu de croissance”, explique Yan.
Les résultats parlent d’eux-mêmes : les cellules peuvent communiquer entre elles. Les cellules imprimées pénètrent dans le support et forment des connexions au sein de chaque couche imprimée et entre les couches, formant ainsi des réseaux comparables au cerveau humain. Les neurones communiquent, envoient des signaux, interagissent entre eux via des neurotransmetteurs et forment même de véritables réseaux avec des cellules de soutien ajoutées au tissu imprimé.
“Nous avons imprimé le cortex cérébral et le striatum et ce que nous avons trouvé était assez impressionnant”, explique Zhang. “Même si nous imprimions différentes cellules provenant de différentes parties du cerveau, elles pourraient toujours communiquer entre elles de manière très spéciale et spécifique.”
La technique d’impression offre une précision – un contrôle sur le type et la disposition des cellules – que l’on ne trouve pas dans les organoïdes cérébraux, des organes miniatures utilisés pour étudier le cerveau. Les organoïdes se développent avec moins d’organisation et de contrôle.
« Notre laboratoire est très particulier dans la mesure où nous sommes capables de produire pratiquement n’importe quel type de neurone à tout moment. Nous pouvons ensuite les assembler presque à tout moment et comme nous le souhaitons », explique Zhang. « Parce que nous pouvons imprimer spécifiquement les tissus, nous pouvons disposer d’un système défini pour étudier le fonctionnement de notre réseau cérébral humain. Nous pouvons étudier en détail la manière dont les cellules nerveuses communiquent entre elles dans certaines conditions, car nous pouvons imprimer exactement ce que nous voulons. »
Cette fonctionnalité spéciale offre de la flexibilité. Le tissu cérébral imprimé pourrait être utilisé pour étudier la signalisation entre les cellules du syndrome de Down, les interactions entre les tissus sains et les tissus voisins affectés par la maladie d’Alzheimer, tester de nouveaux médicaments candidats ou même observer la croissance cérébrale.
« Dans le passé, nous ne prêtions souvent attention qu’à une seule chose, ce qui signifiait que nous oubliions souvent certains éléments essentiels. Notre cerveau fonctionne en réseaux. Nous voulons imprimer le tissu cérébral de cette façon parce que les cellules ne fonctionnent pas d’elles-mêmes. Ils parlent ensemble. C’est ainsi que fonctionne notre cerveau et il faut l’étudier de cette façon pour vraiment le comprendre », explique Zhang. « Notre tissu cérébral pourrait être utilisé pour étudier presque tous les aspects importants sur lesquels travaillent de nombreuses personnes du Centre Waisman. Il peut être utilisé pour étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents au développement du cerveau, au développement humain, aux troubles du développement, aux troubles neurodégénératifs, et bien plus encore. »
La nouvelle technologie d’impression devrait également être accessible à de nombreux laboratoires. Aucun équipement de bio-impression ou méthode de culture spéciale n’est requis pour maintenir le tissu sain, et il peut être examiné en détail à l’aide de microscopes, de techniques d’imagerie standard et d’électrodes déjà couramment utilisées dans la pratique.
Cependant, les chercheurs souhaitent explorer le potentiel de spécialisation, en améliorant davantage leur bio-encre et en affinant leur équipement pour permettre des alignements spécifiques de cellules dans leurs tissus imprimés.
« À l’heure actuelle, notre imprimante est une imprimante de bureau commerciale », explique Yan. “Nous pouvons apporter des améliorations spécifiques qui nous aideront à imprimer certains types de tissus cérébraux à la demande.”
Cette étude a été financée en partie par NIH-NINDS (NS096282, NS076352, NS086604), NICHD (HD106197, HD090256), National Medical Research Council of Singapore (MOH-000212, MOH-000207), ministère de l’Éducation de Singapour (MOE2018-) . T2-2-103), Aligning Science Across Parkinson’s (ASAP-000301), la Bleser Family Foundation et la Busta Foundation.