Le modèle 3D neuf brille la lumière sur des aspects clé de développement précoce

D'un point de vue biologique, les parties de la durée sont les plus mystérieuses. Un embryon humain se développant subit une bourrasque des évolutions rapides, et il est excessivement difficile étudier ces modifications parce qu'elles transpirent dans le cadre d'un utérus.

Mais avec la technologie neuve, il pourrait bientôt être possible de combler des lacunes importantes dans notre compréhension de la grossesse précoce et du développement. Cellules souche utilisées récemment de scientifiques de Rockefeller pour produire un modèle 3D des tissus embryonnaires tôt, leur permettant de simuler des procédés de développement comme ils se produisent dans le temps et l'espace. Les chercheurs espèrent que cet outil, dont l'installation qu'ils ont récent expliqué dans un état en biologie cellulaire de nature, permettra pour élucider davantage les procédés qui guident l'accroissement embryonnaire, et mène éventuel aux innovations qui introduisent des grossesses saines.

Cotes de développement

Le concept d'employer des cellules souche pour modéliser le développement embryonnaire précoce a été développé la première fois dans les laboratoires d'Ali H. Brivanlou, professeur de Robert et de Harriet Heilbrunn, et Éric D. Siggia, la salle Brinning d'alto et le professeur d'Elbert Calhoun Brinning, qui publié leur recherche initiale sur le sujet en 2014. En dépit d'effectuer plusieurs découvertes essentielles depuis lors, Brivanlou et Siggia ont su que son système a été par certains côtés limité : les modèles conventionnels de cellule souche sont bidimensionnels et ne prennent pas la forme réelle d'un embryon, pour cette raison interdisant des chercheurs de poser des questions clé liées à sa structure.

Par exemple, les scientifiques sont hautement intéressés par le procédé par lequel les embryons fixent à l'utérus--une première étape essentielle à une grossesse couronnée de succès. Et selon Mijo Simunovic, un camarade junior de Simons dans le laboratoire de Siggia, il est pratiquement impossible d'étudier ce phénomène complexe dans un système bidimensionnel.

La « pièce d'assemblage est par nature un problème 3D, » il dit.

Pour aborder cette édition, Brivanlou, Siggia, et Simunovic ont employé une approche interdisciplinaire pour développer un modèle 3D simulant un embryon humain environ quatorze-jour-vieil--le stade de développement pendant lequel une étape principale de « gastrulation » appelé de développement embryonnaire a lieu.

« Nous avons combiné plusieurs techniques--bio-ingénierie, physique, et biologie du développement--pour produire ce modèle, » explique Simunovic, qui note que cette recherche n'aurait pas été possible sans seule, de longue date collaboration entre les laboratoires de Siggia et de Brivanlou. « Nous avons maintenant un système 3D qui imite non seulement l'empreinte digital génétique de l'embryon, mais également sa taille et forme. »

Naturellement, elle n'est pas assez pour effectuer un modèle qui ressemble simplement à un embryon réel : elle doit également agir comme un. En conséquence, les chercheurs examinés si leur système pourrait simuler un des procédés les plus principaux chez le développement animal--un phénomène connu sous le nom de se briser de symétrie.

Brisant la symétrie, accomplissant le progrès

À sa partie, un embryon comporte une sphère symétrique des cellules. Puis, après environ deux semaines, cette symétrie commence à disparaître pendant que l'embryon prend les caractéristiques distinctes qui iront bien aux parties variées du fuselage.

« Symétrie brisant des entraînements presque tout qui se produit pendant le développement embryonnaire, » dit Simunovic. « Nos têtes ne ressemblent pas à nos pieds, et c'est parce que, à une certaine remarque, l'embryon divise en deux parts, antérieur et postérieur. »

Ce bris est, en fait, premier se briser de symétrie de l'axe de fuselage qui a lieu pendant le développement humain, et il transpire juste après la pièce d'assemblage à l'utérus. Si les chercheurs pourraient induire un tel bris dans leur modèle, ils ont raisonné, alors ils sauraient que leur système a exactement émulé un embryon réel--au moins au cours de cette période principale dans le temps de développement.

À cet effet, les chercheurs ont exposé leur modèle aux signes chimiques qui, dans la grossesse, sont relâchés par le placenta. Par une suite d'expériences, ils ont constaté que l'ajout d'un produit chimique connu sous le nom de BMP4 incite sûrement se briser de symétrie.

Nous avons ajouté BMP4, et pendant deux jours plus tard une part de la culture en trois dimensions est devenue le futur postérieur, et la partie opposée est devenue le contrat à terme antérieur. »

Mijo Simunovic, un camarade junior de Simons dans le laboratoire de Siggia

Ce résultat a des implications au delà d'élucider la chimie d'un procédé de développement particulier. Maintenant que les scientifiques peuvent avec succès modéliser des événements embryonnaires dans 3D, des extensions de cette recherche peuvent être employées dans de futures études des complications de grossesse, telles que la pièce d'assemblage infructueuse.

« Environ 50 à 75 pour cent d'embryons ne fixent pas, produisant un goulot d'étranglement énorme à la grossesse, » dit Simunovic. « Nous ne savons pas pourquoi c'est-à-dire, mais employant ce modèle nous pouvons pouvoir découvrir. »

Ce système, notes de Brivanlou, a pu également être employé pour étudier les maladies congénitales. « Nous pouvons produire les modèles 3D embryonnaires des conditions génétiques, et suivons le procédé de développement en temps réel, » il dit. « Ces modèles peuvent finalement avancer la compréhension d'un large éventail de maladies pour lesquelles nous ne prenons actuel aucune idée où et quand les choses commencent à aller mal. »

Source:
Journal reference:

Simunovic, M. et al. (2019) A 3D model of a human epiblast reveals BMP4-driven symmetry breaking. Nature Cell Biology. doi.org/10.1038/s41556-019-0349-7.