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Des chercheurs impriment en 3D du tissu cérébral humain fonctionnel

Republié par Platon
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02 février 2024 (Actualités Nanowerk) Une équipe de scientifiques de l'Université du Wisconsin à Madison a développé le premier tissu cérébral imprimé en 3D qui peut se développer et fonctionner comme un tissu cérébral typique. Il s'agit d'une réalisation ayant des implications importantes pour les scientifiques qui étudient le cerveau et travaillent sur des traitements pour un large éventail de troubles neurologiques et neurodéveloppementaux, tels que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson. "Cela pourrait constituer un modèle extrêmement puissant pour nous aider à comprendre comment les cellules cérébrales et certaines parties du cerveau communiquent chez l'homme", déclare Su-Chun Zhang, professeur de neurosciences et de neurologie au Waisman Center de l'UW-Madison. «Cela pourrait changer notre façon de voir 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 a décrit sa méthode dans la revue Cellule souche cellulaire (« Bio-impression 3D de tissus neuronaux humains avec connectivité fonctionnelle »). Au lieu d’utiliser l’approche traditionnelle de l’impression 3D, consistant à empiler les couches verticalement, les chercheurs ont opté pour une approche horizontale. Ils ont placé des cellules cérébrales, des neurones cultivés à partir de cellules souches pluripotentes induites, dans un gel de « bio-encre » plus doux que celui utilisé par les tentatives précédentes. "Le tissu a encore suffisamment de structure pour tenir ensemble, mais il est suffisamment 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 posés les uns à côté des autres sur une table. "Nos tissus restent relativement fins, ce qui permet aux neurones d'obtenir facilement suffisamment d'oxygène et suffisamment de nutriments du milieu de croissance", explique Yan. Les résultats parlent d’eux-mêmes, c’est-à-dire que les cellules peuvent communiquer entre elles. Les cellules imprimées traversent le support pour former des connexions à l’intérieur de chaque couche imprimée ainsi qu’à travers les couches, formant ainsi des réseaux comparables au cerveau humain. Les neurones communiquent, envoient des signaux, interagissent entre eux via des neurotransmetteurs et forment même de véritables réseaux avec des cellules de soutien ajoutées au tissu imprimé. "Nous avons imprimé le cortex cérébral et le striatum et ce que nous avons trouvé était assez frappant", explique Zhang. "Même lorsque nous imprimions différentes cellules appartenant à différentes parties du cerveau, elles étaient toujours capables de communiquer entre elles d'une manière très spéciale et spécifique." La technique d’impression offre une précision – un contrôle sur les types et la disposition des cellules – que l’on ne trouve pas dans les organoïdes cérébraux, des organes miniatures utilisés pour étudier le cerveau. Les organoïdes se développent avec moins d’organisation et de contrôle. « Notre laboratoire est très particulier dans la mesure où nous sommes capables de produire à tout moment pratiquement n’importe quel type de neurones. Ensuite, nous pouvons les assembler presque à tout moment et comme bon nous semble », explique Zhang. « Comme nous pouvons imprimer les tissus dès notre conception, nous pouvons disposer d'un système défini pour examiner le fonctionnement de notre réseau cérébral humain. Nous pouvons observer très spécifiquement la façon dont les cellules nerveuses communiquent entre elles dans certaines conditions, car nous pouvons imprimer exactement ce que nous voulons. Cette spécificité apporte de la flexibilité. Le tissu cérébral imprimé pourrait être utilisé pour étudier la signalisation entre les cellules du syndrome de Down, les interactions entre les tissus sains et les tissus voisins affectés par la maladie d'Alzheimer, tester de nouveaux médicaments candidats ou même observer la croissance du cerveau. « Par le passé, nous examinions souvent une chose à la fois, ce qui signifie que nous oublions souvent certains éléments essentiels. Notre cerveau fonctionne en réseaux. Nous voulons imprimer le tissu cérébral de cette façon parce que les cellules ne fonctionnent pas par elles-mêmes. Ils se parlent. C’est ainsi que fonctionne notre cerveau et il faut l’étudier ensemble pour vraiment le comprendre », explique Zhang. « Notre tissu cérébral pourrait être utilisé pour étudier presque tous les aspects majeurs sur lesquels travaillent de nombreuses personnes du Centre Waisman. Il peut être utilisé pour examiner les mécanismes moléculaires qui sous-tendent le développement du cerveau, le développement humain, les troubles du développement, les troubles neurodégénératifs, etc. La nouvelle technique d’impression devrait également être accessible à de nombreux laboratoires. Il ne nécessite pas d’équipement de bio-impression ni de méthodes de culture spéciales pour maintenir les tissus en bonne santé, et peut être étudié en profondeur à l’aide de microscopes, de techniques d’imagerie standard et d’électrodes déjà courantes dans ce domaine. Les chercheurs aimeraient cependant explorer le potentiel de la spécialisation, en améliorant encore leur bio-encre et en affinant leur équipement pour permettre des orientations spécifiques des cellules dans leurs tissus imprimés. «À l'heure actuelle, notre imprimante est commercialisée sur table», explique Yan.
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