Ce mini cœur cultivé en laboratoire peut garder un rythme | La science

Un laboratoire de Vienne a utilisé des cellules souches pour créer des milliers de minuscules structures en forme de cœur. Chaque cœur miniature, surnommé «cardioïde», a la taille d’une graine de sésame et possède une chambre creuse qui bat.

Les cardioïdes diffèrent des inventions cœurs du passé, que les scientifiques ont créées en utilisant des échafaudages extérieurs et des cellules qu’ils déplaçaient, comme la construction d’un mur en briques. Ces créations ne sont pas aussi utiles pour étudier la structure et les maladies cardiaques réalistes.

Les cardioïdes décrits aujourd’hui dans le journal Cellule se développer sans le guidage en forme de roue d’entraînement d’un échafaudage extérieur. Les scientifiques ont plutôt introduit les cellules souches dans une série de produits chimiques qui jouent un rôle important dans le développement cardiaque. Les cardioïdes passent de faisceaux de cellules souches à des ballons d’eau d’un millimètre de large en une semaine seulement. La plupart des cardioïdes ressemblent beaucoup à la plus grande chambre du cœur, le ventricule gauche.

«Vous voyez les cellules changer de forme [while they grow] et c’est vraiment incroyable, mais c’est à un autre niveau quand ils font réellement quelque chose », déclare Nora Papai, biologiste à l’Institut de biologie moléculaire de l’Académie autrichienne des sciences et co-auteur de l’étude. «Ils commencent à trembler au cinquième jour environ, et au septième jour, vous voyez ce bon rythme de battement.»

À l’avenir, ces mini-versions de cœurs humains cultivées en laboratoire pourraient être utilisées pour étudier le développement et les maladies cardiaques, remplaçant les méthodes actuelles qui utilisent les cœurs d’animaux de laboratoire.

Un cardioïde est un type d’organoïde, une version miniature d’un organe cultivé en laboratoire pour une utilisation en recherche. Il y en a qui ressemblent à des cerveaux miniatures, à des tripes miniatures et à presque tous les autres grands organes. Mais aucun organoïde cardiaque auto-organisé – développé à partir de cellules souches et de signaux chimiques seuls – n’avait été créé jusqu’à présent.

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Contrairement aux cœurs, les cardioïdes ne sont pas connectés à un système circulatoire, ils n’ont donc pas de tuyauterie entrant ou sortant de leur cavité. Et contrairement aux cœurs, qui ont quatre chambres, les cardioïdes n’en ont qu’une. Mais leurs similitudes avec les cœurs vont au-delà du petit rythme cardiaque des cardioïdes. Les cardioïdes ont les mêmes trois couches que les cœurs naturels et leur chambre est remplie de liquide.

Les cardioïdes peuvent également gérer des environnements qui stresseraient la plupart des amas de cellules liés aux tubes à essai. Les chercheurs ont compris cela à cause d’un accident de transport: lorsqu’ils ont envoyé un lot de cardioïdes à un collègue qui voulait les utiliser pour étudier le coronavirus pandémique, le colis s’est coincé dans un aéroport. Les cardioïdes ont passé quatre jours à température ambiante, nageant dans un liquide rempli de nutriments, avant d’atteindre leur destination.

«Ils battaient toujours», explique Sasha Mendjan, chercheur à l’Institut de biologie moléculaire, auteur principal de l’étude, sur les cardioïdes. Le test de résistance par inadvertance a montré à quel point les cardioïdes sont robustes. «Une fois qu’ils se sont formés, ils sont heureux. Le processus de formation, bien sûr, est plus délicat.

Les cardioïdes commencent comme des cellules souches pluripotentes, qui ont le potentiel de se transformer en n’importe quelle cellule du corps étant donné les bonnes instructions de l’environnement. L’équipe de recherche a utilisé six produits chimiques connus pour être importants dans le développement du cœur humain dans leur expérience. D’autres tentatives de création d’organoïdes ressemblant au cœur n’utilisaient que deux ou trois facteurs et se retrouvaient souvent avec des cellules non cardiaques dans le produit final. Mendjan soupçonne que certaines cellules souches deviennent voyous et se développent en d’autres cellules parce qu’elles ne reçoivent pas un ensemble complet d’instructions. Selon Mendjan, l’utilisation des six facteurs a été la clé du succès des cardioïdes, car elle a donné aux chercheurs le contrôle de nombreuses voies de développement moléculaire.

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Lorsque l’équipe a conçu ses expériences pour la première fois, elle essayait de développer des cellules souches en cellules cardiaques dans une feuille bidimensionnelle, mais les cellules ne resteraient pas à plat pendant qu’elles grandissaient. Les cellules ont continué à se déformer et à ne pas coller au fond de la coupelle, même avec une couche de matériau semblable à de la colle sur le dessus.

Le co-auteur Stefan Jahnel a donc suggéré de laisser les cellules se développer dans un espace tridimensionnel à la place. Ensuite, les cellules ont eu l’espace pour prendre leur forme de ballon.

Une fois qu’ils ont eu un moyen fiable de créer des cardioïdes, les chercheurs ont commencé à les utiliser pour tester la réponse du cœur à différentes blessures. Ils ont créé des cardioïdes avec des mutations génétiques et ont constaté qu’ils aboutissaient à des cardioïdes plus petits avec proportionnellement moins d’espace consacré à la chambre. C’est le début de l’étude des malformations cardiaques au début du développement humain, qui touchent environ 2% des enfants.

«Il n’y a aucun moyen pour nous de regarder cela dans l’embryon humain à ce stade, car les femmes ne savent même pas qu’elles sont enceintes à ce stade», dit Mendjan. Le cardioïde imite l’apparence d’un cœur embryonnaire après environ le premier mois de développement. Ainsi, les cardioïdes peuvent être en mesure d’aider à l’étude de défauts comme le syndrome hypoplasique du cœur gauche, qui apparaît au début du développement et est mortel sans chirurgie invasive.

L’équipe a également testé la façon dont les cardioïdes se remettent de crises cardiaques simulées.

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«Lors d’une crise cardiaque, près d’un milliard de cellules meurent, mais elles ne disparaissent pas simplement», explique Papai. Pour imiter l’effet de nombreuses cellules mortes laissées sur les cardioïdes, Papai et ses collègues ont utilisé une fine tige de métal, de la taille de la broche utilisée pour retirer les cartes SIM des smartphones, qu’ils ont plongé dans de l’azote liquide pour atteindre moins-320 degrés Fahrenheit. .

«Lorsque vous le maintenez dans les cellules, cette zone meurt immédiatement à cause de la température très froide. Mais quand les cellules meurent, elles ne disparaissent pas », dit Papai. Les cellules restent sur le cardioïde, qui commence alors à récupérer.

Certains cardioïdes conçus pour ressembler à des cœurs embryonnaires ont pu se régénérer avec des cellules vivantes. Mais les cardioïdes qui ressemblaient plus à des cœurs matures, avec une couche externe supplémentaire, ont plutôt développé une couche de collagène, comme du tissu cicatriciel. Le tissu cicatriciel ne pompe ni ne bouge aussi bien que le tissu cardiaque sain, donc avec le temps, il peut causer des problèmes à une personne qui a eu une crise cardiaque. Mais parce que les scientifiques ont découvert que certains cardioïdes se régénèrent, ils veulent commencer à étudier les mécanismes détaillés de la façon dont, et peut-être trouver un moyen de créer un meilleur traitement après une crise cardiaque.





«Remarquablement, Mendjan et ses collègues surmontent un obstacle majeur dans le domaine pour générer des cardioïdes humains auto-organisés… en exploitant les règles normales du développement cardiaque», écrit Laurie Boyer, ingénieur biologique au Massachusetts Institute of Technology, qui étudie les gènes impliqués dans le développement cardiaque et n’a pas été impliqué dans la nouvelle recherche, dans un e-mail.

L’étude rapproche le domaine de la création de modèles de laboratoire pour étudier le développement des organes et les maladies, dit Boyer, mais des progrès clés restent à voir, comme avoir des modèles avec tous les vaisseaux sanguins, les chambres et les nerfs d’un vrai cœur.

L’équipe de recherche est maintenant en train de breveter ses cardioïdes et espère que les créations fourniront un moyen utile d’étudier le développement cardiaque et de tester de nouveaux médicaments pour les maladies cardiaques. L’équipe a déjà découvert que les cardioïdes peuvent réagir à la chimie de leur environnement tout comme le font les cœurs.

«C’est maintenant un peu effrayant, mais ce qui est étonnant, c’est que vous pouvez les stimuler à battre plus vite», dit Mendjan. «Si vous faites ces tests et que vous leur ajoutez, par exemple, de l’adrénaline, ils se réveillent tous et commencent à battre très vite. Et c’est le même médicament que vous utiliseriez pour sortir un patient d’une crise cardiaque. »

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