Percer les secrets du cœur – Des scientifiques créent un cœur miniature dans une boîte de Petri

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L’Université technique de Munich a réussi à mettre au point un organoïde de « mini-cœur » à l’aide de cellules souches, fournissant un modèle qui pourrait améliorer notre compréhension du développement et des maladies du cœur. Cet organoïde innovant, composé à la fois de cellules du muscle cardiaque et de cellules de la couche externe du cœur, permet de reproduire des conditions cardiaques spécifiques à un patient et pourrait réduire la dépendance à l’égard de l’expérimentation animale dans le cadre de la mise au point de futurs médicaments. (Concept de l’artiste)

Des chercheurs de l’Université technique de Munich (TUM) ont réussi à induire des cellules souches pour imiter le processus de développement du cœur humain, ce qui a permis de créer un « mini-cœur » ou organoïde. Cette avancée permettra de mieux comprendre les étapes initiales du développement du cœur et favorisera la recherche sur les maladies cardiaques.

Le cœur humain commence à prendre forme environ trois semaines après la conception, une période pendant laquelle de nombreuses femmes n’ont pas encore réalisé qu’elles étaient enceintes. Ce facteur contribue à notre connaissance relativement limitée des détails complexes de la formation précoce du cœur. Les connaissances tirées de la recherche sur les animaux ne sont pas entièrement applicables aux êtres humains, d’où l’importance de l’organoïde créé par l’équipe de la TUM pour la communauté scientifique.

Différentes étapes du développement des organoïdes cardiaques

Différentes étapes du développement des organoïdes cardiaques (Epicardioïdes). Crédit : Alessandra Moretti / TUM

Une boule de 35 000 cellules

L’équipe d’Alessandra Moretti, professeur de médecine régénérative dans le domaine des maladies cardiovasculaires, a mis au point une méthode pour fabriquer une sorte de « mini-cœur » à partir de cellules souches pluripotentes. Environ 35 000 cellules sont transformées en sphère dans une centrifugeuse. Pendant plusieurs semaines, différentes molécules de signalisation sont ajoutées à la culture cellulaire selon un protocole fixe. « De cette manière, nous imitons les voies de signalisation du corps qui contrôlent le programme de développement du cœur », explique Alessandra Moretti. Le groupe vient de publier ses travaux dans la revue Nature Biotechnology.

Les premiers « épicardioïdes » de l’histoire

Les organoïdes obtenus ont un diamètre d’environ un demi-millimètre. Bien qu’ils ne pompent pas le sang, ils peuvent être stimulés électriquement et sont capables de se contracter comme des cavités cardiaques humaines. Le professeur Moretti et son équipe sont les premiers chercheurs au monde à avoir réussi à créer un organoïde contenant à la fois des cellules du muscle cardiaque (cardiomyocytes) et des cellules de la couche externe de la paroi cardiaque (épicarde). Dans la jeune histoire des organoïdes cardiaques – les premiers ont été décrits en 2021 – les chercheurs n’avaient auparavant créé que des organoïdes contenant des cardiomyocytes et des cellules de la couche interne de la paroi cardiaque (endocarde).

« Pour comprendre la formation du cœur, les cellules de l’épicarde sont décisives », explique le Dr Anna Meier, premier auteur de l’étude. « D’autres types de cellules dans le cœur, par exemple dans les tissus de connexion et les vaisseaux sanguins, sont formés à partir de ces cellules. L’épicarde joue également un rôle très important dans la formation des cavités cardiaques. » L’équipe a judicieusement baptisé les nouveaux organoïdes « épicardioïdes ».

Alessandra Moretti

Prof. Alessandra Moretti. Crédit : Daniel Delang / TUM

Découverte d’un nouveau type de cellule

Outre la méthode de production des organoïdes, l’équipe a fait part de ses premières découvertes. L’analyse de cellules individuelles a permis de déterminer que des cellules précurseurs d’un type récemment découvert chez la souris se forment vers le septième jour du développement de l’organoïde. L’épicarde est formé à partir de ces cellules. « Nous supposons que ces cellules existent également dans le corps humain, ne serait-ce que pendant quelques jours », déclare le professeur Moretti.

Ces découvertes pourraient également permettre de comprendre pourquoi le cœur du fœtus peut s’auto-réparer, une capacité presque totalement absente du cœur d’un humain adulte. Ces connaissances pourraient aider à trouver de nouvelles méthodes de traitement pour les crises cardiaques et d’autres maladies.

Produire des « organoïdes personnalisés »

L’équipe a également montré que les organoïdes peuvent être utilisés pour étudier les maladies de patients individuels. En utilisant des cellules souches pluripotentes provenant d’un patient souffrant du syndrome de Noonan, les chercheurs ont produit des organoïdes qui reproduisaient les caractéristiques de la maladie dans une boîte de Pétri. Au cours des prochains mois, l’équipe prévoit d’utiliser des organoïdes personnalisés comparables pour étudier d’autres malformations cardiaques congénitales.

La possibilité d’émuler des pathologies cardiaques dans des organoïdes permettrait à l’avenir de tester des médicaments directement sur ces derniers. « Il est concevable que de tels tests puissent réduire le besoin d’expériences sur les animaux lors du développement de médicaments », déclare Alessandra Moretti.

La recherche sur les organoïdes est un domaine de recherche clé à la TUM

Les chercheurs ont déposé un brevet international pour le processus de création d’organoïdes cardiaques. Le modèle Epicardioïde est l’un des nombreux projets d’organoïdes de la TUM. Au Centre pour les systèmes d’organoïdes, des groupes de travail issus de différents départements et chaires collaboreront. Ils mèneront des recherches interdisciplinaires sur les organoïdes de pancréas, de cerveau et de cœur avec une imagerie et une analyse cellulaire de pointe afin d’étudier la formation des organes, le cancer et les maladies neurodégénératives et de faire progresser la médecine avec des systèmes humains en 3D.

Référence : « Epicardioid single-cell genomics uncovers principles of human epicardium biology in heart development and disease (La génomique unicellulaire de l’épicarde découvre les principes de la biologie de l’épicarde humain dans le développement et la maladie du cœur) par Anna B. Meier, Dorota Zawada, Maria Teresa De Angelis, Laura D. Martens, Gianluca Santamaria, Sophie Zengerle, Monika Nowak-Imialek, Jessica Kornherr, Fangfang Zhang, Qinghai Tian, Cordula M. Wolf, Christian Kupatt, Makoto Sahara, Peter Lipp, Fabian J. Theis, Julien Gagneur, Alexander Goedel, Karl-Ludwig Laugwitz, Tatjana Dorn et Alessandra Moretti, 3 avril 2023, Nature Biotechnology.
DOI: 10.1038/s41587-023-01718-7

L’étude a été financée par le Conseil européen de la recherche.