Des chercheurs ont mis au point une technologie de pointe qui utilise des micropuces pour cultiver des poumons humains miniaturisés « clonés » à partir de cellules souches embryonnaires humaines (CSEh), dans le but de mieux comprendre les infections pulmonaires telles que le COVID-19. Les cellules souches s’auto-organisent en « micro-poumons » complexes, reproduisant la complexité du tissu pulmonaire humain. Cela permet une analyse à haut débit sans précédent de l’infection du tissu pulmonaire, en éliminant les facteurs variables qui surviennent généralement lors de l’utilisation de différents échantillons de patients. Cette plateforme peut également être utilisée pour étudier d’autres maladies et dépister de nouveaux médicaments, et elle est prête à réagir rapidement à de futures pandémies. (Concept artistique de mini-poumons cultivés en laboratoire)
Des scientifiques ont mis au point une technologie de culture cellulaire qui permet de créer des poumons humains miniatures « clonés » sur des micropuces à partir de cellules souches, offrant ainsi une nouvelle méthode d’étude des infections pulmonaires telles que le COVID-19. Cette technologie révèle la vulnérabilité des cellules alvéolaires au SARS-CoV-2 et montre que le blocage d’une certaine voie de signalisation réduit la sensibilité à l’infection. Cette plateforme a également des applications potentielles dans l’étude d’autres maladies, le dépistage de médicaments et la réponse rapide à de futures pandémies.
Lorsque nous nous rendons en voiture vers une nouvelle destination, nous baissons souvent le volume de la chaîne stéréo en suivant les instructions. Ce qui était de la musique devient soudain du bruit et nous empêche de nous concentrer.
Notre compréhension de la manière dont les maladies infectieuses telles que le COVID affectent les poumons humains a été troublée de la même manière par le bruit. Les données provenant des tissus pulmonaires des patients varient considérablement d’une personne à l’autre, ce qui obscurcit les mécanismes de base de la manière dont le SRAS-CoV-2 infecte d’abord les cellules pulmonaires. Il s’agit également d’une analyse a posteriori, comme si nous essayions de cartographier l’itinéraire emprunté par le virus il y a trois ans.
Réduire le bruit de la variabilité en étudiant des tissus génétiquement identiques dès le premier moment de l’infection pourrait permettre d’éclairer la voie empruntée par l’agent pathogène. Quelles cellules sont infectées, et quand ? Quel est le niveau d’infection et comment diffère-t-il selon le type de cellule ? Comment évolue-t-il dans différentes conditions ?
Et s’il était possible de suivre des milliers d’infections à la fois ? Cela pourrait révolutionner notre compréhension des infections et des traitements médicamenteux utilisés pour les combattre.
C’est ce qu’on espère d’une nouvelle technologie de pointe capable de faire pousser des mini-organes sur des micro-puces. Les laboratoires d’Ali Brivanlou et de Charles M. Rice de Rockefeller ont collaboré pour affiner une plateforme technologique de culture cellulaire qui permet de faire pousser des bourgeons pulmonaires génétiquement identiques – les structures embryonnaires qui donnent naissance à nos organes respiratoires – à partir de cellules souches embryonnaires humaines (CSEh). Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue Stem Cell Reports.
Le SARS-CoV-2 (magenta) infecte les tissus alvéolaires et des voies respiratoires (bleu) de mini-poumons humains dérivés in vitro de cellules souches pluripotentes humaines. Crédit : Laboratoire de biologie synthétique de l’Université Rockefeller
Placées sur un réseau de micropuces et soigneusement dosées avec un cocktail personnalisé de molécules de signalisation, les CSEh s’organisent rapidement en « micro-poumons » dotés d’une complexité tissulaire totale. Ces bourgeons peuvent être cultivés par milliers, ce qui permet une analyse à haut débit sans précédent de l’infection des tissus pulmonaires sans toutes les variables bruyantes.
Il en résulte un accès illimité, rapide et évolutif à des tissus pulmonaires qui présentent les principales caractéristiques du développement pulmonaire humain et qui peuvent être utilisés pour suivre les infections pulmonaires et identifier des candidats thérapeutiques.
« Ces poumons sont en fait des clones », explique Ali Brivanlou. « Ils ont exactement la même signature ADN. Ainsi, nous n’avons pas à nous soucier du fait qu’un patient réagisse différemment d’un autre. La quantification nous permet de maintenir l’information génétique constante et de mesurer la variable clé – le virus. »
Sommaire
Construire un meilleur mini-poumon
Les cellules souches embryonnaires sont les cellules Ur du corps humain. Elles peuvent se diviser à l’infini pour créer d’autres cellules souches ou se différencier en n’importe quel autre tissu. Le laboratoire de biologie synthétique de Brivanlou explore depuis longtemps leur potentiel.
Brivanlou a uni ses forces à celles de Charles M. Rice, un collègue de Rockefeller, pendant la pandémie de COVID : son laboratoire disposait de la technologie des micropuces pour cultiver des bourgeons pulmonaires, et le laboratoire de Rice avait l’autorisation de biosécurité nécessaire pour les infecter avec le SRAS-CoV-2 et étudier les résultats.
Particules virales (bleu) infectant les tissus alvéolaires et des voies respiratoires (rouge). Crédit : Laboratoire de biologie synthétique de l’Université Rockefeller
En 2021, les premiers auteurs, Edwin Rosado-Olivieri, biologiste spécialiste des cellules souches dans le laboratoire de Brivanlou, et Brandon Razooky, alors post-doctorant dans le laboratoire de virologie et de maladies infectieuses de Rice, ont commencé à inciter les cellules à s’organiser en formes plus spécialisées. Les cellules souches ne s’organisent pas d’elles-mêmes. Elles ont besoin d’un espace confiné, tel qu’un puits de micro-puce, et de stimuli pour déclencher le changement. Les stimuli proviennent de quatre voies de signalisation principales qui incitent les cellules souches à se différencier en types cellulaires spécifiques.
Après environ deux semaines, les cellules pulmonaires du groupe avaient formé des bourgeons identiques dont les profils moléculaires correspondaient étroitement à ceux observés aux premiers stades du développement pulmonaire fœtal, y compris la formation des voies aériennes et des alvéoles, structures connues pour être endommagées chez de nombreuses personnes atteintes d’une forme grave de COVID-19.
Identifier un coupable clé
Depuis, ils ont utilisé la plate-forme pour comprendre comment le SARS-CoV-2 infecte différentes cellules pulmonaires.
Les alvéoles sont de minuscules sacs situés à l’extrémité des branches pulmonaires qui gèrent les échanges gazeux à chaque respiration : entrée d’oxygène, sortie de dioxyde de carbone. En étudiant des cellules alvéolaires clonées en masse, les chercheurs ont découvert que les alvéoles étaient plus sensibles à l’infection par le SRAS-CoV-2 que les cellules des voies respiratoires, qui sont les gardiennes de l’organe – la première défense contre toutes les menaces inhalées. Si le virus les atteint, les alvéoles sont des cibles faciles.
Autre vue des particules virales (bleu) infectant les tissus des alvéoles et des voies respiratoires (rouge).
Les chercheurs ont également trouvé une combinaison gagnante de protéines de signalisation pour créer les lots de bourgeons pulmonaires les plus robustes : un mélange de facteur de croissance des kératinocytes (KGF) et de protéine morphogénétique osseuse 4 (BMP4). Ces deux protéines contribuent à la différenciation et à la croissance des cellules.
Il est intéressant de noter que la voie de la BMP présente un inconvénient. En comparant des bourgeons pulmonaires infectés à des tissus post-mortem de patients atteints de COVID, ils ont constaté que la voie de signalisation BMP était induite dans les deux cas et rendait les tissus plus vulnérables à l’infection. Le blocage de la voie BMP a rendu les cellules moins vulnérables.
Au-delà de la COVID
Les chercheurs notent que la plate-forme peut également être utilisée pour étudier les mécanismes de la grippe, du VRS, des maladies pulmonaires et du cancer du poumon, entre autres maladies. En outre, elle peut être utilisée pour cribler de nouveaux médicaments pour les traiter.
Les poumons sont loin d’être le seul organe concerné. « L’objectif général de notre travail est de comprendre le développement cellulaire pour fabriquer des organes et des tissus synthétiques que nous pouvons utiliser pour modéliser des maladies et trouver des mécanismes thérapeutiques », explique Rosado-Olivieri. Le foie, les reins et le pancréas sont les prochaines cibles probables.
« La plateforme nous permettra également de réagir à la prochaine pandémie avec beaucoup plus de rapidité et de précision », ajoute M. Brivanlou. « Nous pouvons rapidement capitaliser sur cette plateforme pour rendre un virus visible et développer des thérapies beaucoup plus rapidement que nous l’avons fait pour le COVID. Elle peut être utilisée pour rechercher des médicaments, des composés, des vaccins, des anticorps monoclonaux et bien d’autres choses encore, directement dans les tissus humains. Cette technologie est prête à faire face à toutes sortes de menaces qui pourraient nous frapper à l’avenir.
Référence : « Organotypic human lung bud microarrays identify BMP-dependent SARS-CoV-2 infection in lung cells » par E.A. Rosado-Olivieri, B. Razooky, J. Le Pen, R. De Santis, D. Barrows, Z. Sabry, H.-H. Hoffmann, J. Park, T.S. Carroll, J.T. Poirier, C.M. Rice et A.H. Brivanlou, 20 avril 2023, Stem Cell Reports.
DOI: 10.1016/j.stemcr.2023.03.015