Ces dernières années, l’utilisation des organoïdes a permis de nombreuses avancées dans la recherche médicale. En effet, ces organes miniatures ont permis à plusieurs reprises aux scientifiques de mieux comprendre comment les maladies se développent et de tester différentes approches thérapeutiques. Une équipe de l’UC San Diego School of Medicine a récemment fait une nouvelle découverte majeure en utilisant ces modèles d’organes : ils ont identifié une mutation génétique associée à une forme profonde d’autisme, puis ont réussi à réparer l’ensemble du système nerveux en corrigeant cette mutation.
Plusieurs maladies neurologiques et neuropsychiatriques, dont les troubles du spectre autistique (TSA) et la schizophrénie, sont associées à des mutations du facteur de transcription 4 (TCF4), un gène sur le chromosome 18 essentiel au développement du cerveau et à la fonction neuronale ; Les facteurs de transcription sont des protéines qui initient ou régulent la transcription d’autres gènes. Cependant, on comprend mal comment les mutations pathologiques du TCF4 affectent les tissus neuronaux.
Pour en savoir plus, les chercheurs ont étudié des neurones et des organites cérébraux dérivés de fibroblastes cutanés prélevés sur des enfants atteints du syndrome de Pitt-Hopkins, une maladie causée par certaines mutations spécifiques du TCF4. Le syndrome de Pitt-Hopkins est un TSA caractérisé par une déficience cognitive, une morphologie faciale caractéristique, des problèmes gastro-intestinaux et des troubles du rythme respiratoire. Grâce à l’observation des organoïdes, l’équipe a pu identifier les mécanismes moléculaires pathologiques sous-jacents et caractériser les anomalies cellulaires résultant des mutations du TCF4.
Une mutation qui limite la prolifération et la différenciation cellulaire
Les modèles murins du syndrome de Pitt-Hopkins ne peuvent pas imiter avec précision les caractéristiques neuronales des patients atteints de ce trouble ; En convertissant des cellules cutanées prélevées sur de jeunes patients en cellules souches, les chercheurs ont pu fabriquer des cellules progénitrices neurales, des neurones et des « mini-cerveaux » qui imitent plus fidèlement les fonctions attendues d’un organe réel. Ainsi, ils pouvaient suivre le développement des tissus, comme s’ils étudiaient la croissance d’un fœtus.
En comparant la croissance de tissus contenant des versions mutées de TCF4 avec des tissus avec des gènes TCF4 typiques, ils ont pu cartographier avec précision les changements causés par des mutations dans la structure et la fonction des tissus. « Même sans microscope, nous pourrions dire quel organoïde cérébral est porteur de la mutation », a déclaré Alisson R. Muotri, directeur du programme de cellules souches de l’UC San Diego et auteur principal de l’étude.
Des différences significatives de taille et de structure ont été observées entre les organoïdes cérébraux obtenus de patients atteints du syndrome de Pitt-Hopkins (à droite) et un organoïde normal (à gauche). © F. Papes et al.
Pour commencer, l’équipe a découvert que les organites porteurs du syndrome étaient de taille et de structure aberrantes ; ils étaient significativement plus petits que les organites normaux et contenaient un pourcentage plus élevé de cellules progénitrices neurales et significativement moins de neurones. En effet, les cellules progénitrices cultivées à partir de cellules souches ont montré une prolifération réduite et une moindre capacité à se différencier en neurones, suggérant que la mutation TCF4 inhibe la prolifération et la différenciation des cellules progénitrices neuronales. Ce dernier a également montré un vieillissement précoce.
Les quelques cellules qui étaient encore différenciées en neurones étaient moins actives que d’habitude et restaient regroupées plutôt qu’organisées en réseaux de neurones. Selon les chercheurs, cette architecture atypique sous-tend probablement les déficits cognitifs et moteurs du syndrome de Pitt-Hopkins. Ils se sont donc demandé si ces modifications structurelles pouvaient être inversées en agissant directement sur l’expression du TCF4.
Récupération possible des fonctions motrices et cognitives
Une série d’expériences a montré que la mutation TCF4 entraîne une réduction de la signalisation Wnt/β-caténine et de l’expression des facteurs de transcription SOX, deux signaux moléculaires importants qui régulent la reproduction des cellules embryonnaires, leur maturation dans les neurones et leur migration dans les neurones. zone suspecte du cerveau. Ainsi, la diminution de la différenciation neuronale semble être liée à cette diminution de la signalisation.
Les chercheurs se sont ensuite tournés vers un support pharmacologique pour la signalisation Wnt (via un produit chimique appelé CHIR99021), une procédure qui a restauré une partie de la diversité et de l’activité neuronale dans les organoïdes malades. De plus, la correction directe des mutations du TCF4 (par édition de gènes) a inversé leurs effets : les organites atteints du syndrome sont devenus plus similaires aux organites normaux utilisés comme témoins. « Le fait que nous puissions réparer ce gène et restaurer l’ensemble du système nerveux, même au niveau fonctionnel, est incroyable », a déclaré Muotri.
h) Numération des cellules vivantes après traitement des cellules progénitrices neurales avec l’agoniste de la voie Wnt CHIR99021. j) Quantification des cellules sénescentes parmi les cellules progénitrices neurales traitées avec CHIR99021. k) CHIR99021 restaure l’expression des gènes de prolifération dans les cellules traitées. l) Organites du syndrome de Pitt-Hopkins 4 semaines in vitro après traitement avec CHIR99021, montrant une augmentation marquée du nombre de cellules progénitrices neurales (vert) et de neurones (rose), ainsi que la réapparition de rosettes neuronales (flèche). © F. Papes et al.
Cependant, l’équipe souligne que ces manipulations ont eu lieu à un stade très précoce (prénatal) du développement cérébral ; cependant, les enfants atteints du syndrome de Pitt-Hopkins, comme d’autres TSA, ne sont pas diagnostiqués avant l’âge de 2 à 3 ans environ. Par conséquent, des essais cliniques doivent être menés pour s’assurer que la même procédure peut être effectuée en toute sécurité et avec la même efficacité à cet âge. Muotri et ses collègues optimisent leurs outils de thérapie génique pour de tels essais. « Pour ces enfants et leurs proches, toute amélioration de la fonction motrice-cognitive et de la qualité de vie vaut la peine d’être tentée », conclut le spécialiste.
