En combinant la nouvelle méthode de culture avec une culture tridimensionnelle et une analyse de séquençage d'ARN unicellulaire, le Dr Nakanoh, chercheur principal du projet, a utilisé des cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) pour en savoir plus sur la façon dont les ectodermes amniotiques et de surface apparaissent dans les embryons humains à environ gastrulation (environ deux semaines après la fécondation).

Le mystère des tissus similaires mais différents : ectodermes amniotiques et de surface

L'ectoderme amniotique est une couche cellulaire unique qui forme la membrane entourant l'embryon en développement. Elle fournit également des signaux essentiels au développement de l’embryon humain, mais la manière dont se forme la membrane amniotique n’est pas encore entièrement connue chez l’homme.

L'ectoderme de surface est une couche dense de progéniteurs épidermiques, qui donne naissance à la surface du corps, telle que la peau, et aux caractéristiques associées des dents, des cheveux et des ongles. Sa production artificielle présente un intérêt médical si les technologies permettant de la générer peuvent être améliorées.

Les cellules amniotiques et d'ectoderme de surface sont spécialisées à un stade précoce de développement et partagent largement des caractéristiques biologiques, telles que les modèles d'expression génique et les exigences en matière de signaux. La raison pour laquelle ces tissus distincts sont si similaires et comment ils se différencient au cours du développement reste un mystère.

L’encombrement cellulaire affecte l’identité cellulaire

Le Dr Nakanoh a personnalisé les conditions de culture des hPSC et a découvert que les suppléments Activine A, BMP4, un inhibiteur de GSK3-bêta et un inhibiteur de MEK favorisaient leur différenciation en ectoderme amniotique. En utilisant une technique de co-culture pour former des agrégats cellulaires, il a pu confirmer la capacité des cellules de l’ectoderme amniotique générées à initier la gastrulation. En outre, l'analyse du séquençage de l'ARN unicellulaire a suggéré la voie de différenciation de l'ectoderme amniotique, où les gènes de l'ectoderme de surface sont exprimés avant l'activation du programme génétique de l'ectoderme amniotique.

La comparaison des données d'expression génique avec les données publiques provenant d'embryons de primates à des stades de développement comparables, réalisée avec l'expertise du Dr Irina Mohorianu, responsable de la bioinformatique au CSCI, a validé les types de cellules générés dans le système de culture, démontrant leur similarité avec les cellules embryonnaires correspondantes. tissus. De plus, la voie de développement passant de l’état d’ectoderme de surface à l’état d’ectoderme amniotique a également été observée chez les embryons de primates.

Fondamentalement, le Dr Nakanoh a identifié que la distinction entre les deux types de cellules dépend de la densité cellulaire ; où les cellules deviennent de l'ectoderme amniotique dans des conditions clairsemées. En revanche, la culture à haute densité a conduit à des cellules exprimant des marqueurs de l’ectoderme de surface mais pas de l’ectoderme amniotique. Ces cellules ont également pu se différencier en un type de cellules épidermiques en aval, les kératinocytes, qui représentent un type cellulaire clé de la peau. Les chercheurs ont testé les variations dans les milieux de culture, mais la densité cellulaire était le seul facteur qui influençait le choix du destin cellulaire entre l'ectoderme amniotique et l'ectoderme de surface.

L’équipe de recherche a également découvert que le nouveau système de culture produit des cellules comme le mésoderme extra-embryonnaire, qui n’est pas encore bien caractérisé chez les embryons humains.

Le Dr Shota Nakanoh, chercheur postdoctoral au laboratoire Rayon, a déclaré : « L'amnion protège l'embryon et fournit des signaux de développement clés tandis que l'ectoderme de surface contribue à une partie substantielle du corps adulte. Les deux types de cellules présentent un grand intérêt clinique et sont des éléments importants pour le succès. modèles in vitro pour les embryons humains. Bien qu'il existe des protocoles pour différencier les cellules en ectodermes amniotiques ou de surface, les chercheurs n'ont pas été en mesure de faire une distinction claire entre ces types de cellules. Nos découvertes sur la densité cellulaire en tant que régulateur clé comblent ce manque de connaissances et donc nous aide à être plus sûrs de la génération des types de cellules qui nous intéressent. »

En appliquant cet effet de regroupement cellulaire à l'embryon humain en développement, les chercheurs proposent comment ces tissus similaires se différencient dans l'embryon pré-gastrulation, où l'ectoderme amniotique se présente sous la forme d'une feuille lâche avec un nombre relativement petit de cellules, tandis que l'ectoderme de surface se forme sous la forme d'un feuille dense et continue de cellules.

Permettre de meilleurs modèles d’embryons de cellules souches

Il est important de disposer d’une méthode permettant de spécifier correctement la formation de l’amnios afin de pouvoir récapituler le plus fidèlement possible le développement de l’embryon humain à l’aide de modèles d’embryons basés sur des cellules souches. Ces modèles sont de plus en plus utilisés pour explorer le développement humain au-delà des limites techniques et réglementaires qui régissent la recherche sur l'embryon humain.

M. Teresa Rayon, chef de groupe de tenure-track dans le programme de recherche en épigénétique de l'institut, a déclaré : « Nous avons seulement récemment commencé à explorer la génération d'amnios au cours du développement humain. Ces résultats font progresser notre compréhension sur la façon de générer des cellules extra-embryonnaires en laboratoire. in vitro, et met en lumière les mécanismes qui conduisent à la formation de types cellulaires aux étapes qui correspondent à la « boîte noire » du développement humain. Compte tenu de l'intérêt croissant porté à l'utilisation de modèles d'embryons de cellules souches comme proxys d'embryons humains, ce travail fournit plus de connaissances pour la génération de modèles intégrés réussis.

Le professeur Vallier, aujourd'hui professeur de cellules souches dans les thérapies régénératives à l'Institut de santé de Berlin à la Charité (BIH), a déclaré : « Notre système de culture génère également du mésoderme extra-embryonnaire, un autre tissu peu étudié dans les embryons humains. compréhension du développement humain et pourrait améliorer nos connaissances sur les maladies affectant la première étape de la vie fœtale. Ce travail ouvre également la porte à de nouvelles études concernant le rôle de la densité cellulaire dans la décision relative au destin cellulaire.