Un nouveau modèle neuromusculaire promet de révolutionner les études de dépistage de médicaments à haut débit

Dans les maladies neuromusculaires, les neurones et les cellules musculaires ne communiquent plus correctement. Les chercheurs dirigés par Mina Gouti peuvent désormais modéliser cela en 2D dans une boîte de culture. Écrivant sur leurs découvertes dans Communications naturellesdisent-ils, le nouveau modèle promet de révolutionner les études de dépistage de médicaments à haut débit.

Les scientifiques ont jusqu’à présent identifié environ 800 maladies neuromusculaires différentes. Ces conditions sont causées par des problèmes dans la façon dont les cellules musculaires, les motoneurones et les cellules périphériques interagissent. Ces troubles, notamment la sclérose latérale amyotrophique et l'amyotrophie spinale, entraînent une faiblesse musculaire, une paralysie et, dans certains cas, la mort.

“Ces maladies sont très complexes et les causes du dysfonctionnement peuvent varier considérablement”, explique le Dr Mina Gouti, responsable du laboratoire de modélisation des cellules souches du développement et des maladies au Centre Max Delbrück. Le problème pourrait provenir des neurones, des cellules musculaires ou des connexions entre les deux. “Pour mieux comprendre les causes et trouver des thérapies efficaces, nous avons besoin de modèles de culture cellulaire spécifiques à l'homme, dans lesquels nous pouvons étudier comment les motoneurones de la moelle épinière interagissent avec les cellules musculaires.”

Les organoïdes sont trop gros pour les études à haut débit

Les chercheurs travaillant avec Gouti avaient déjà développé un système organoïde neuromusculaire (NMO) tridimensionnel. “L'un de nos objectifs est d'utiliser nos cultures pour tester des drogues à grande échelle”, explique Gouti. “Les organoïdes tridimensionnels sont très gros et ne peuvent pas être cultivés pendant longtemps dans la boîte de culture à 96 puits que nous utilisons pour effectuer des études de dépistage de médicaments à haut débit.”

Pour ce type de dépistage, une équipe internationale dirigée par Gouti a développé un modèle de jonction neuromusculaire auto-organisée utilisant des cellules souches pluripotentes. Le modèle contient des neurones, des cellules musculaires et la synapse chimique appelée jonction neuromusculaire qui est nécessaire à l'interaction des deux types de cellules.

Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Communication naturelle. “Le modèle de jonction neuromusculaire auto-organisatrice 2D nous permettra d'effectuer un criblage de médicaments à haut débit pour différentes maladies neuromusculaires, puis d'étudier les candidats les plus prometteurs dans les organoïdes spécifiques au patient”, explique Gouti.

Pour établir le modèle 2D de jonction neuromusculaire auto-organisée, les chercheurs ont d’abord dû comprendre comment les motoneurones et les cellules musculaires se développent dans l’embryon. L'équipe de Minas ne mène pas elle-même de recherche sur les embryons, mais utilise diverses lignées de cellules souches humaines, autorisées à des fins de recherche selon des directives strictes, ainsi qu'une lignée de cellules souches pluripotentes induites (iPSC).

“Nous avons testé un certain nombre d'hypothèses. Nous avons découvert que les types de cellules dont nous avions besoin pour les connexions neuromusculaires fonctionnelles provenaient de cellules progénitrices neuromésodermiques”, explique Alessia Urzi, doctorante et auteure principale de l'article. Urzi a trouvé la bonne combinaison de molécules de signalisation qui amènent les cellules souches humaines à mûrir en motoneurones fonctionnels et en cellules musculaires avec les connexions nécessaires entre les deux.

“C'était passionnant de voir les cellules musculaires se contracter au microscope”, explique Urzi. “C'était un signe clair que nous étions sur la bonne voie.” Une autre observation était qu’une fois différenciées, les cellules s’organisaient en zones composées de cellules musculaires et de cellules nerveuses, un peu comme une mosaïque.

Un commutateur optogénétique pour les motoneurones

Les cellules musculaires cultivées dans la boîte de culture se contractent spontanément en raison de leur connexion aux neurones, mais sans rythme significatif. Urzi et Gouti voulaient arranger ça. En collaboration avec des chercheurs de la Charité—Universitätsmedizin Berlin, ils ont utilisé l'optogénétique pour activer les motoneurones.

Activés par un flash de lumière, les neurones se déclenchent et provoquent la contraction synchronisée des cellules musculaires, les rapprochant ainsi de l'imitation de la situation physiologique d'un organisme.

Modélisation de l'amyotrophie spinale dans le plat

Pour tester la validité du modèle, Urzi a utilisé des CSPi humaines provenant de patients atteints d'amyotrophie spinale, une maladie neuromusculaire grave qui affecte les enfants au cours de la première année de leur vie. Les cultures neuromusculaires générées à partir des cellules souches pluripotentes induites spécifiques au patient ont montré de graves problèmes de contraction du muscle ressemblant à la pathologie du patient.

Pour Gouti, les cultures 2D et 3D sont des outils clés pour étudier plus en détail les maladies neuromusculaires et tester des options de traitement plus efficaces et individualisées.

Dans une prochaine étape, Gouti et son équipe souhaitent effectuer un criblage de médicaments à haut débit afin d'identifier de nouveaux traitements pour les patients atteints d'amyotrophie spinale et de sclérose latérale amyotrophique. “Nous voulons commencer par voir si nous pouvons obtenir de meilleurs résultats en utilisant de nouvelles combinaisons de médicaments pour améliorer la vie des patients atteints de maladies neuromusculaires complexes”, explique Gouti.