Organoïde

Un organoïde cérébral décrit des organes miniatures cultivés artificiellement, in vitro, ressemblant au cerveau. Les organoïdes cérébraux sont créés en cultivant des cellules souches pluripotentes humaines dans une structure tridimensionnelle se développent sur une période de plusieurs mois[15]. La procédure a des applications potentielles dans l'étude du développement, de la physiologie et de la fonction cérébrales. Les organoïdes cérébraux peuvent éprouver des "sensations simples" en réponse à une stimulation externe et les neuroscientifiques Andrea Lavazza, Elan Ohayon et Hideya Sakaguchi font partie de ceux qui craignent que de tels organes puissent développer une sensibilité[25]. Ils proposent que l'évolution ultérieure de la technique soit soumise à une procédure de surveillance éthique rigoureuse.

Organoïde pulmonaire

Les organoïdes pulmonaires sont des micro-tissus cultivés en trois dimensions qui reproduisent les caractéristiques morphologiques et fonctionnelles des voies respiratoires[26]. Ils peuvent contenir les différents types de cellules épithéliales du poumon humain reposant sur une matrice extra-cellulaire. Les organoïdes pulmonaires présentent de nombreuses caractéristiques des voies respiratoires humaines, telles que la sécrétion de mucus, le battement des cils et la régénération. Cette fidélité à la réalité biologique en fait un outil très efficace pour étudier le développement embryonnaire du tissu pulmonaire, les mécanismes de réparation dans les lésions pulmonaires ainsi que les mécanismes physiopathologiques des maladies pulmonaires. Les organoïdes pulmonaires peuvent également être utilisés pour évaluer la toxicité ou l'efficacité des médicaments lors de tests in vitro.

Les organoïdes rétiniens sont des structures en trois dimensions, auto-organisées qui contiennent tous les types cellulaires de la rétine[27]. Il y a trois étapes dans la génération d'organoïdes rétiniens. Les organoïdes de 35 à 40 jours sont formés d’un neuro-épithélium contenant des progéniteurs rétiniens en prolifération. Durant les stades intermédiaires (entre 60 et 100 jours), on obseve une séparation nette entre une couche nucléaire externe avec des photorécepteurs et une couche interne contenant des neurones de la rétine interne. Enfin, dans les organoïdes rétiniens tardifs (après 150-175 jours), les photorécepteurs atteignent un stade avancé de développement. La cinétique de développement est assez fidèle au développement fœtal humain (entre la 23^e et la 30^e semaine). Il persiste cependant certaines limites, notamment lorsqu’il s’agit de maintenir ces organoïdes à long terme. On observe une désorganisation progressive de la région interne des organoïdes aux stades tardifs, ainsi qu’une perte des cellules ganglionnaires, ce qui est prévisible dans ce type de cultures car ces neurones sont dépourvus de leurs cibles cérébrales naturelles.

Les organoïdes offrent aux chercheurs un modèle exceptionnel pour étudier la biologie du développement[28]. Depuis l'identification des cellules souches pluripotentes, de grands progrès ont été accomplis dans la direction du destin des cellules souches pluripotentes in vitro à l'aide de cultures 2D. Ces progrès dans la direction du destin de la cellule souche pluripotente, associés aux progrès des techniques de culture 3D, ont permis la création d'organoïdes qui récapitulent les propriétés de diverses sous-régions spécifiques d'une multitude d'organes. L'utilisation de ces organoïdes a ainsi grandement contribué à élargir notre compréhension des processus d'organogenèse et du domaine de la biologie du développement. Dans le développement du système nerveux central, par exemple, les organoïdes ont contribué à notre compréhension des forces physiques qui sous-tendent la formation de la cupule rétinienne. Des travaux plus récents ont considérablement prolongé les périodes de croissance des organoïdes corticaux et à près d'un an dans des conditions de différenciation spécifiques, les organoïdes persistent et présentent certaines caractéristiques des stades de développement du fœtus humain[29].

Les organoïdes offrent la possibilité de créer des modèles cellulaires de maladies humaines, qui peuvent être étudiés en laboratoire pour mieux comprendre les causes de la maladie et identifier les traitements possibles. Dans un exemple, le système d'édition du génome appelé CRISPR a été appliqué à des cellules souches pluripotentes humaines pour introduire des mutations ciblées dans des gènes pertinents pour deux maladies rénales différentes, la polykystose rénale et la glomérulosclérose segmentaire focale[30]. Ces cellules souches pluripotentes modifiées par CRISPR ont ensuite été cultivées dans des organoïdes rénaux humains, qui présentaient des phénotypes spécifiques à la maladie. Les organoïdes rénaux des cellules souches présentant des mutations de la polykystose rénale ont formé de grandes structures de kystes translucides à partir des tubules rénaux. Lorsqu'ils sont cultivés en l'absence d'indices adhérents (en suspension), ces kystes ont atteint des tailles de 1 cm de diamètre sur plusieurs mois[31]. Les organoïdes rénaux présentant des mutations dans un gène lié à la glomérulosclérose segmentaire focale ont développé des défauts de jonction entre les podocytes, les cellules filtrantes affectées dans cette maladie[32]. Il est important de noter que ces phénotypes de la maladie étaient absents des organoïdes témoins de fond génétique identique, mais dépourvus des mutations CRISPR. La comparaison de ces phénotypes organoïdes avec des tissus malades de souris et d'humains a suggéré des similitudes avec des défauts de développement précoce.

Développées pour la première fois par Takahashi et Shinya Yamanaka en 2007, les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) peuvent également être reprogrammées à partir de fibroblastes cutanés de patients[33]. Ces cellules souches portent le patrimoine génétique exact du patient, y compris toute mutation génétique susceptible de contribuer au développement d'une maladie humaine. La différenciation de ces cellules en organoïdes rénaux a été réalisée chez des patients atteints du syndrome de Lowe en raison de mutations ORCL1. Ce rapport a comparé les organoïdes rénaux différenciés de l'iPSC du patient à l'iPSC témoin non apparenté et a démontré une incapacité des cellules rénales du patient à mobiliser le facteur de transcription SIX2 du complexe de Golgi[34]. Étant donné que SIX2 est un marqueur bien caractérisé des cellules progénitrices du néphron dans le mésenchyme de la coiffe, les auteurs ont conclu que la maladie rénale fréquemment observée dans le syndrome de Lowe (échec global de la réabsorption du tubule proximal ou syndrome de Fanconi rénal) pourrait être liée à une altération de la structuration du néphron résultant du néphron cellules progénitrices dépourvues de cette importante expression du gène SIX2.

D'autres études ont utilisé l'édition de gènes CRISPR pour corriger la mutation du patient dans les cellules iPSC du patient afin de créer un contrôle isogénique, qui peut être effectué simultanément avec la reprogrammation des iPSC[35]. La comparaison d'un organoïde dérivé d'iPSC d'un patient avec un contrôle isogénique est l'étalon-or actuel dans le domaine car elle permet d'isoler la mutation d'intérêt comme seule variable dans le modèle expérimental[36]. Dans un de ces rapports, des organoïdes rénaux dérivés d'iPSC d'un patient atteint du syndrome de Mainzer-Saldino en raison de mutations hétérozygotes composées dans IFT140 ont été comparés à un organoïde témoin isogénique dans lequel une variante IFT140 donnant lieu à un transcrit d'ARNm non viable a été corrigé par CRISPR . Les organoïdes rénaux des patients ont démontré une morphologie ciliaire anormale compatible avec les modèles animaux existants qui a été ramenée à la morphologie de type sauvage dans les organoïdes corrigés par le gène. Le profilage transcriptionnel comparatif des cellules épithéliales purifiées à partir d'organoïdes patients et témoins a mis en évidence des voies impliquées dans la polarité cellulaire, les jonctions cellule-cellule et l'assemblage moteur de la dynéine, dont certaines avaient été impliquées pour d'autres génotypes au sein de la famille phénotypique des ciliopathies rénales. Un autre rapport utilisant un contrôle isogénique a démontré une localisation anormale de la néphrine dans les glomérules des organoïdes rénaux générés à partir d'un patient atteint d'un syndrome néphrotique congénital.

Les organoïdes intestinaux issus de biopsies rectales à l'aide de protocoles de culture établis par le groupe de Hans Clevers (en) ont été utilisés pour modéliser la mucoviscidose[37] et ont conduit à la première application d'organoïdes pour un traitement personnalisé[38]. La mucoviscidose est une maladie héréditaire causée par des mutations du gène qui code pour un canal ionique épithélial nécessaire aux fluides de surface épithéliaux sains. Des études menées par le laboratoire de Jeffrey Beekman (Wilhelmina Children's Hospital, University Medical Center Utrecht, Pays-Bas) ont décrit en 2013 que la stimulation des organoïdes colorectaux avec des agonistes de l'AMPc tels que la forskoline ou la toxine du choléra induisait un gonflement rapide des organoïdes d'une manière entièrement dépendante du CFTR[37]. Alors que les organoïdes de sujets non atteints de mucoviscidose gonflent en réponse à la forskoline en raison du transport de fluide dans les lumières des organoïdes, cela est sévèrement réduit ou absent chez les organoïdes dérivés de personnes atteintes de mucoviscidose. Le gonflement pourrait être restauré par des thérapeutiques qui réparent la protéine CFTR (modulateurs CFTR), ce qui indique que les réponses individuelles à la thérapie de modulation CFTR pourraient être quantifiées dans un environnement de laboratoire préclinique. Schwank et al. a également démontré que le phénotype organoïde de la mucoviscidose intestinale pouvait être réparé par l'édition du gène CRISPR-Cas9 en 2013[39].

Des études de suivi par Dekkers et al. en 2016 a révélé que les différences quantitatives dans le gonflement induit par la forskoline entre les organoïdes intestinaux dérivés de personnes atteintes de mucoviscidose sont associées à des marqueurs diagnostiques et pronostiques connus tels que des mutations du gène CFTR ou des biomarqueurs in vivo de la fonction CFTR . De plus, les auteurs ont démontré que les réponses des modulateurs CFTR dans les organoïdes intestinaux avec des mutations CFTR spécifiques étaient corrélées avec les données publiées des essais cliniques de ces traitements. Cela a conduit à des études précliniques où des organoïdes de patients présentant des mutations CFTR extrêmement rares pour lesquels aucun traitement n'a été enregistré se sont avérés répondre fortement à un modulateur CFTR disponible en clinique. Le bénéfice clinique suggéré du traitement pour ces sujets sur la base du test organoïde préclinique a ensuite été confirmé lors de l'introduction clinique du traitement par les membres du centre clinique de FK sous la supervision de Kors van der Ent (Département de pneumologie pédiatrique, Hôpital pour enfants Wilhelmina, Centre médical universitaire Utrecht, Pays-Bas). Ces études montrent pour la première fois que les organoïdes peuvent être utilisés pour l'adaptation individuelle d'une thérapie ou d'une médecine personnalisée.

La recherche sur les organoïdes pourrait à terme permettre de reconstituer des organes complets par exemple pour permettre des greffes et remplacer des organes défectueux (Cœur, rein, foie, utérus etc.)[40].

• (en) David A. Turner, Peter Baillie-Johnson et Alfonso Martinez Arias, « Organoids and the genetically encoded self-assembly of embryonic stem cells », Bioessays, vol. 38, n^o 2,‎ février 2016, p. 181-191 (PMID 26666846, PMCID 4737349, DOI 10.1002/bies.201500111)

• «Organoïdes : small is beautiful» La Méthode scientifique, France Culture, 8 novembre 2019.
• [vidéo] Comment faire pousser des organes ? sur YouTube, chaine Scilabus.