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Premier tissu cérébral humain fonctionnel produit par impression 3D
Impression 3D révolutionnaire : des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison développent le premier tissu cérébral humain fonctionnel,
pour la recherche sur les troubles neurologiques
Des chercheurs de l'université du Wisconsin-Madison ont récemment réalisé une avancée significative en développant le premier tissu cérébral humain fonctionnel par impression 3D, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la recherche sur le fonctionnement du cerveau et les troubles neurologiques. L'utilisation d'une méthode d'impression 3D horizontale, combinée à la disposition précise des neurones issus de cellules souches pluripotentes induites, offre une approche novatrice favorisant la croissance des cellules nerveuses et la création de réseaux similaires à ceux présents dans le cerveau humain. Cette précision promet une meilleure compréhension des fonctions cérébrales et de leurs troubles, notamment la maladie d'Alzheimer et de Parkinson.
Cependant, une question cruciale se pose concernant la confidentialité des données informatiques et des informations personnelles collectées dans le cadre de cette recherche. Face aux enjeux éthiques liés à la manipulation de données médicales, il est impératif que les chercheurs mettent en place des mécanismes robustes pour garantir la confidentialité et la protection des données. Cette considération devient d'autant plus critique à mesure que la recherche implique la modélisation informatique avancée du tissu cérébral humain. La transparence et la mise en œuvre de pratiques de protection des données devront être rigoureuses pour assurer le respect des normes éthiques dans le domaine de la recherche médicale.
Les chercheurs de l'université du Wisconsin-Madison ont développé une plateforme de bio-impression 3D pour assembler des tissus avec des types de cellules neuronales humaines définies dans une dimension souhaitée en utilisant une bio-imprimante commerciale. Les progéniteurs neuronaux imprimés se différencient en neurones et forment des circuits neuronaux fonctionnels à l'intérieur et entre les couches de tissu avec une spécificité de quelques semaines, comme en témoignent la projection corticale-striatale, les courants synaptiques spontanés et la réponse synaptique à l'excitation neuronale.
Les progéniteurs astrocytaires imprimés se transforment en astrocytes matures avec des processus élaborés et forment des réseaux neuronaux-astrocytaires fonctionnels, comme l'indiquent les flux de calcium et l'absorption de glutamate en réponse à l'excitation neuronale dans des conditions physiologiques et pathologiques.
Ces tissus neuronaux humains conçus seront probablement utiles pour comprendre le câblage des réseaux neuronaux humains, modéliser des processus pathologiques et servir de plateformes pour tester des médicaments. Il pourrait s'agir d'un modèle extrêmement puissant qui nous aiderait à comprendre comment les cellules et les parties du cerveau communiquent chez l'homme », explique Su-Chun Zhang, professeur de neurosciences et de neurologie au Centre Waisman de l'UW-Madison. « Cela pourrait changer notre façon d'envisager la biologie des cellules souches, les neurosciences et la pathogenèse de nombreux troubles 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 processus d'impression 3D décrit sa méthode aujourd'hui dans la revue Cell Stem Cell.
Au lieu d'utiliser l'approche traditionnelle de l'impression 3D, qui consiste à empiler des couches verticalement, les chercheurs ont procédé horizontalement. Ils ont placé des cellules cérébrales, des neurones cultivés à partir de cellules souches pluripotentes induites, dans un gel « bio-encre » plus doux que celui utilisé lors des tentatives précédentes.
« Le tissu a encore suffisamment de structure pour tenir ensemble, mais il est assez mou pour permettre aux neurones de se développer les uns dans les autres et de commencer à se parler », explique Zhang. Les cellules sont disposées les unes à côté des autres comme des crayons sur une table. « Notre tissu reste relativement fin, ce qui permet aux neurones d'obtenir facilement suffisamment d'oxygène et de nutriments à partir du milieu de croissance », explique Yan.
Les résultats parlent d'eux-mêmes, c'est-à-dire que les cellules peuvent se parler. Les cellules imprimées traversent le milieu pour former des connexions à l'intérieur de chaque couche imprimée ainsi qu'entre les couches, formant des réseaux comparables à des cerveaux humains. Les neurones communiquent, envoient des signaux, interagissent entre eux par le biais de neurotransmetteurs et forment même des réseaux appropriés avec les cellules de soutien qui ont été ajoutées au tissu imprimé.
« Nous avons imprimé le cortex cérébral et le striatum et ce que nous avons découvert est assez frappant », explique Zhang. « Même lorsque nous avons imprimé différentes cellules appartenant à différentes parties du cerveau, elles étaient toujours capables de communiquer entre elles d'une manière très spéciale et spécifique. »
« Notre laboratoire s'intéresse à la manière dont les sous-types neuronaux et gliaux fonctionnellement diversifiés naissent lors de la construction et de la reconstruction du cerveau humain. Nous avons développé des modèles de différenciation neuronale à partir de cellules souches pluripotentes de souris, de singes et d'humains, y compris des cellules souches embryonnaires (CSE) et des cellules souches pluripotentes induites (CSPi). En suivant les principes de développement, nous avons réussi à orienter les hPSC vers des cellules neurales spécialisées sur le plan régional et fonctionnel, y compris les neurones glutamatergiques corticaux et les interneurones GABA, les neurones GABAergiques striataux à épines moyennes, les neurones cholinergiques du cerveau antérieur basal, les neurones dopaminergiques du cerveau moyen, les motoneurones spinaux, les oligodendrocytes et les sous-types d'astrocytes spécifiques d'une région », Waisman Center.
Naviguer entre prévisions et questions éthiques dans l'élaboration de cerveaux imprimés en 3D
Cette avancée de l'université du Wisconsin-Madison dans la création du premier tissu cérébral humain fonctionnel imprimé en 3D suscite un intérêt certain, notamment dans la compréhension des troubles neurologiques. D'un côté, l'utilisation d'une méthode d'impression 3D horizontale pour agencer les neurones offre une approche novatrice, favorisant la croissance des cellules nerveuses et la formation de réseaux similaires à ceux présents dans le cerveau humain. Cette précision dans le contrôle des types de cellules et de leur disposition représente une avancée prometteuse pour la recherche sur les fonctions cérébrales.
Cependant, il est impératif de prendre en compte des préoccupations d'ordre éthique et scientifique. En premier lieu, subsiste l'interrogation fondamentale sur la capacité d'un modèle imprimé en 3D à reproduire fidèlement les intrications et les interactions du cerveau humain. Bien que les organoïdes cérébraux aient été utilisés pour étudier le cerveau, leur précision suscite également des débats.
De surcroît, la complexité des troubles neurologiques, tels que la maladie d'Alzheimer et de Parkinson, ne peut être pleinement reproduite en laboratoire. Les modèles artificiels ne parviennent pas toujours à intégrer de manière adéquate les facteurs environnementaux et génétiques cruciaux pour la compréhension de ces maladies.
Star Trek, une œuvre de science-fiction créée par Gene Roddenberry en 1966 et regroupant sept séries télévisées, avait anticipé certaines avancées scientifiques avec ses packs de gel bio-neural dans les systèmes du vaisseau. Toutefois, la question centrale demeure : à quel moment peut-on considérer le cerveau imprimé en 3D comme étant vivant et sensible ? Cette interrogation soulève des dilemmes éthiques complexes liés à la définition même de la vie et de la conscience.
Identifier le seuil au-delà duquel le tissu cérébral artificiel devient doté de sensibilité implique de déterminer la présence de caractéristiques telles que la capacité à percevoir, réagir ou même ressentir. Alors que la science progresse dans la création de modèles de plus en plus sophistiqués du cerveau humain, la question de l'éthique entourant la vie artificielle et la conscience émerge comme un défi majeur, nécessitant une réflexion approfondie et une réglementation adaptée pour guider ces avancées technologiques.
La technologie d'impression 3D horizontale peut offrir un contrôle précis, mais il est nécessaire d'évaluer attentivement les éventuels effets secondaires, tant sur le plan biologique que sur celui de l'éthique. L'évolution de cette méthode devra être suivie de près pour garantir qu'elle reste bénéfique pour la compréhension des troubles neurologiques sans compromettre l'intégrité scientifique ni susciter des inquiétudes éthiques. En somme, bien que cette avancée soit prometteuse, elle souligne également la nécessité de maintenir un équilibre entre l'innovation scientifique et les préoccupations éthiques.
Source : University of Wisconsin–Madison, UW–Madison researchers first to 3D-print functional human brain tissue
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