Les premiers neurones hautement matures développés en laboratoire pourraient permettre des thérapies de transplantation

Des chercheurs dirigés par la Northwestern University ont créé les premiers neurones hautement matures à partir de cellules souches pluripotentes induites par l’homme (iPSC). Bien que les chercheurs précédents aient différencié les cellules souches pour devenir des neurones, ces neurones étaient fonctionnellement immatures, ressemblant à des neurones de stades embryonnaires ou postnatals précoces. En cultivant des neurones dérivés d’iPSC sur des revêtements avec des «molécules dansantes», l’équipe de l’Université Northwestern a créé des neurones qui ont démontré une plus grande maturité fonctionnelle, une signalisation synaptique améliorée, une activité électrique et une ramification, et des taux de survie améliorés.

De tels neurones pourraient être transplantés chez des patients souffrant de lésions de la moelle épinière ou de maladies neurodégénératives pour remplacer les neurones perdus ou endommagés. Et en avançant l’âge des neurones humains, les chercheurs pourraient être en mesure de mieux étudier les maladies de l’adulte dans des cultures cellulaires relativement simples et rentables.

Les scientifiques, dirigés par le professeur du nord-ouest Samuel I. Stupp, PhD, ont rendu compte de leurs travaux en Cellule Cellule Souchesdans un article intitulé “Les échafaudages artificiels de matrice extracellulaire de molécules mobiles améliorent la maturation des neurones dérivés de cellules souches humaines.”

La capacité à générer des iPSC et à favoriser leur différenciation en cellules neurales a fourni ce que les chercheurs ont appelé un accès sans précédent au système nerveux central (SNC) humain. “Il a permis l’assemblage de modèles pour l’étude du neurodéveloppement et des maladies neurologiques, qui ont conduit à des avancées significatives dans notre compréhension de ces processus”, ont-ils écrit. Cependant, la culture de neurones dérivés de cellules souches in vitro reste difficile. Les neurones cultivés dans des systèmes cellulaires autonomes ne deviennent pas complètement matures et présentent une viabilité à long terme réduite. La maturation limitée obtenue avec les techniques actuelles de culture de cellules souches diminue également leur utilisation potentielle dans les études de neurodégénérescence.

“Lorsque vous avez un iPSC que vous parvenez à transformer en neurone, ce sera un jeune neurone”, a déclaré Stupp, co-auteur correspondant de l’étude. « Mais, pour qu’il soit utile dans un sens thérapeutique, il faut un neurone mature. Sinon, c’est comme demander à un bébé d’accomplir une fonction qui nécessite un être humain adulte. Nous avons confirmé que les neurones recouverts de nos nanofibres atteignent plus de maturité que d’autres méthodes, et que les neurones matures sont mieux à même d’établir les connexions synaptiques qui sont fondamentales pour la fonction neuronale. Stupp est professeur au conseil d’administration de science et génie des matériaux, chimie, médecine et génie biomédical à Northwestern, où il est directeur fondateur du Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) et de son centre de recherche affilié, le Center for Regenerative Nanomedicine. Stupp a des rendez-vous dans le École d’ingénierie McCormickWeinberg College of Arts and Sciences et Feinberg School of Medicine.

Pour développer des conditions de culture qui reflètent mieux le microenvironnement du système nerveux, il est important de considérer la matrice extracellulaire (ECM), un “échafaudage intercellulaire” qui, selon les auteurs, joue “un rôle central dans la maturation, la signalisation et le vieillissement neuronaux”. Pour leur travail visant à générer des neurones matures à partir de cellules souches, l’équipe a créé une “plate-forme ECM-mimétique” basée sur la percée “molécules dansantes », technologie introduite l’an dernier par Stupp, qui comprend des échafaudages de fibrilles supramoléculaires à l’échelle nanométrique formées par des molécules peptidiques amphiphiles (PA). Le laboratoire de Stupp a développé le matériau comme traitement potentiel des lésions aiguës de la moelle épinière. Dans Recherche précédente, Stupp a découvert comment ajuster le mouvement des molécules, afin qu’elles puissent trouver et s’engager correctement avec des récepteurs cellulaires en mouvement constant. En imitant le mouvement des molécules biologiques, les matériaux synthétiques peuvent communiquer avec les cellules.

Une innovation clé de la recherche de Stupp a été de découvrir comment contrôler le mouvement collectif de plus de 100 000 molécules dans les nanofibres. Parce que les récepteurs cellulaires du corps humain peuvent se déplacer à des vitesses rapides, parfois à des échelles de temps de quelques millisecondes, ils deviennent des cibles mobiles difficiles à atteindre. “Imaginez diviser une seconde en 1 000 périodes de temps”, a déclaré Stupp. « C’est la vitesse à laquelle les récepteurs pouvaient se déplacer. Ces échelles de temps sont si rapides qu’elles sont difficiles à appréhender.

Pour leurs travaux récemment rapportés, l’équipe a d’abord différencié les iPSC humains en neurones moteurs et corticaux, puis les a placés sur des revêtements de nanofibres synthétiques contenant ces molécules dansantes en mouvement rapide. Les chercheurs ont découvert que les nanofibres réglées pour contenir les molécules les plus mobiles conduisaient aux neurones les plus améliorés. En d’autres termes, les neurones cultivés sur des revêtements plus dynamiques – essentiellement des échafaudages composés de nombreuses nanofibres – étaient également les neurones les plus matures. “Nous avons observé que des échafaudages supramoléculaires avec une architecture de nanofibres et une composition chimique similaires affichaient une amélioration remarquable de la bioactivité lorsqu’ils présentaient un mouvement supramoléculaire plus intense”, ont rapporté les chercheurs. “Les neurones cultivés sur des matrices avec des molécules PA hautement mobiles présentaient plusieurs caractéristiques compatibles avec une maturation fonctionnelle accrue.”

“La raison pour laquelle nous pensons que cela fonctionne est que les récepteurs se déplacent très rapidement sur la membrane cellulaire et que les molécules de signalisation de nos échafaudages se déplacent également très rapidement”, a déclaré Stupp. «Ils sont plus susceptibles d’être synchronisés. Si deux danseurs ne sont pas synchronisés, l’appariement ne fonctionne pas. Les récepteurs sont activés par les signaux à travers des rencontres spatiales très spécifiques. Il est également possible que nos molécules à mouvement rapide améliorent le mouvement des récepteurs, ce qui à son tour aide à les regrouper pour bénéficier de la signalisation.

Les chercheurs ont découvert que non seulement les neurones enrichis résultants étaient plus matures, mais qu’ils démontraient également des capacités de signalisation améliorées et une plus grande capacité de ramification, ce qui est nécessaire pour que les neurones établissent un contact synaptique les uns avec les autres. Les auteurs ont en outre noté: “Nos résultats suggèrent un rôle important du mouvement dans la signalisation cellulaire au-delà des simples changements conformationnels des molécules individuelles.” Et, contrairement aux neurones typiques dérivés de cellules souches qui ont tendance à s’agglutiner, ces neurones ne se sont pas agrégés, ce qui les rend moins difficiles à entretenir. “La technologie mimétique ECM basée sur l’AP que nous décrivons ici offre des avantages biologiques et techniques par rapport aux approches actuelles de culture in vitro de neurones dérivés de cellules souches”, a écrit l’équipe. “Notre travail démontre l’importance d’incorporer des caractéristiques contrôlables dynamiquement dans des échafaudages ECM synthétiques qui peuvent apporter des améliorations significatives aux modèles neuronaux basés sur les cellules souches.”

Avec un développement plus poussé, les chercheurs pensent que les neurones matures pourraient être transplantés chez des patients en tant que thérapie prometteuse pour les lésions de la moelle épinière ainsi que pour les maladies neurodégénératives, notamment la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la maladie de Parkinson, la maladie d’Alzheimer ou la sclérose en plaques.

« C’est la première fois que nous avons pu déclencher une maturation fonctionnelle avancée de neurones dérivés d’iPSC humains en les plaquant sur une matrice synthétique », a déclaré Evangelos Kiskinis, PhD, de Northwestern, co-auteur correspondant de l’étude. « C’est important parce qu’il existe de nombreuses applications qui obligent les chercheurs à utiliser des populations de neurones purifiées. La plupart des laboratoires basés sur les cellules souches utilisent des neurones de souris ou de rat co-cultivés avec des neurones dérivés de cellules souches humaines. Mais cela ne permet pas aux scientifiques d’étudier ce qui se passe dans les neurones humains, car vous finissez par travailler avec un mélange de cellules de souris et humaines. Kiskinis est professeur adjoint de neurologie et de neurosciences à la Northwestern University Feinberg School of Medicine, chercheur de la New York Stem Cell Foundation-Robertson et membre principal du corps professoral du Les Turner ALS Center.

Stupp et Kiskinis pensent que leurs neurones matures donneront un aperçu des maladies liées au vieillissement et deviendront de meilleurs candidats pour tester diverses thérapies médicamenteuses dans des cultures cellulaires. En utilisant les molécules dansantes, les chercheurs ont pu faire avancer les neurones humains à des âges beaucoup plus avancés qu’auparavant, permettant aux scientifiques d’étudier l’apparition de maladies neurodégénératives. “La composition de l’ECM dans le SNC est connue pour changer avec l’âge… et pourrait être la médiation d’aspects de la neurodégénérescence associée à l’âge”, ont noté les scientifiques. “Des efforts futurs orientés vers la création de revêtements artificiels qui imitent l’ECM vieillissant pourraient s’avérer utiles.”

Dans le cadre de la recherche, Kiskinis et son équipe ont prélevé des cellules cutanées d’un patient atteint de SLA et les ont converties en CSPi spécifiques au patient. Ensuite, ils ont différencié ces cellules souches en motoneurones, qui est le type de cellule affecté par cette maladie neurodégénérative. Enfin, les chercheurs ont cultivé des neurones sur les nouveaux matériaux de revêtement synthétiques pour développer davantage les signatures ALS. Non seulement cela a donné à Kiskinis une nouvelle fenêtre sur la SLA, mais ces «neurones de la SLA» pourraient également être utilisés pour tester des thérapies potentielles.

“Pour la première fois, nous avons pu observer une agrégation de protéines neurologiques à l’âge adulte dans les motoneurones de patients SLA dérivés de cellules souches”, a déclaré Kiskinis. « Cela représente une percée pour nous. On ne sait pas comment l’agrégation déclenche la maladie. C’est ce que nous espérons découvrir pour la première fois.

“Nous prévoyons que la plate-forme PA sera d’un grand intérêt pour la communauté des cellules souches axée sur le développement de modèles basés sur hiPSC de maladies neurodéveloppementales, neurologiques et neurodégénératives”, ont déclaré les chercheurs. “La nature adaptative et la flexibilité inhérente à la conception des matériaux supramoléculaires PA peuvent faciliter le développement de plates-formes mimétiques ECM supplémentaires à l’avenir.”

Plus tard, il pourrait être possible que des neurones matures et améliorés dérivés d’iPSC soient transplantés chez des patients souffrant de lésions de la moelle épinière ou de maladies neurodégénératives. Par exemple, les médecins pourraient prélever des cellules cutanées d’un patient atteint de SLA ou de la maladie de Parkinson, les convertir en CSPi, puis cultiver ces cellules sur le revêtement pour créer des neurones sains et hautement fonctionnels.

Transplanter des neurones sains chez un patient pourrait remplacer des neurones endommagés ou perdus, restaurant potentiellement la cognition ou les sensations perdues. Et, comme les cellules initiales provenaient du patient, les nouveaux neurones dérivés d’iPSC correspondraient génétiquement au patient, éliminant ainsi la possibilité de rejet.

“La thérapie de remplacement cellulaire peut être très difficile pour une maladie comme la SLA, car les motoneurones transplantés dans la moelle épinière devront projeter leurs longs axones vers les sites musculaires appropriés à la périphérie, mais cela pourrait être plus simple pour la maladie de Parkinson”, a commenté Kiskinis. “De toute façon, cette technologie sera transformatrice.”

Stupp a ajouté: «Il est possible de prélever des cellules d’un patient, de les transformer en cellules souches, puis de les différencier en différents types de cellules. Mais le rendement de ces cellules a tendance à être faible, et parvenir à une maturation adéquate est un gros problème. Nous pourrions intégrer notre revêtement dans la fabrication à grande échelle de neurones dérivés de patients pour des thérapies de transplantation cellulaire sans rejet immunitaire.