Détection rapide des phénotypes de développement neurologique dans des cellules précurseurs neurales humaines (PNJ)

L’utilisation des organismes plus simples et des modèles de souris a élucidé les mécanismes de développement du cerveau de base ainsi que pathogenèse de la maladie. Malgré ces avancées, l’étiologie de nombreux troubles neuropsychiatriques reste insaisissable, parce que pas tous les résultats dans des organismes plus simples sont directement liées à des aspects complexes de la maladie humaine. En outre, la plus grande complexité du cerveau humain rend difficile le développement humain modèle souvent et troubles chez les animaux. Avec l’évolution et les progrès de la technologie (hiPSCs) des cellules souches humaines pluripotentes induites, les cellules somatiques peuvent être reprogrammées en cellules souches et puis se différencient en cellules neuronales pour étudier les maladies humaines. Percées dans les technologies hiPSCs et « omic » (génomique, transcriptomique, protéomique, métabolomique) promettent de révolutionner la compréhension du développement du cerveau humain. Ces technologies désormais rendent possible une approche de « médecine de précision » pour la caractérisation des maladies neuropsychiatriques sur une base de cas-par-cas.

L’aliment de base actuel en matière de modélisation des maladies hiPSC est à différencier des cellules en sous-types neuronales spécifiques dans une monocouche ou utiliser un système de culture 3D appelé un organoïde pour récapituler les aspects du cerveau développement^{1,2, 3}. Ces systèmes ont été extrêmement précieux pour l’étude et de découvrir des aspects uniques du développement humain et maladie^4,5,6,7. Toutefois, les cultures de neurones et organoïdes exigent souvent n’importe où de semaines à mois de culture avant qu’ils soient prêts à étudier. Le caractère chronophage de ces protocoles et le montant des ressources nécessaires pour maintenir que ces systèmes de culture limitent souvent le nombre d’expériences qui peuvent être effectuées et le nombre de variables (comme facteurs de croissance ou médicaments) qui peuvent être testés. En outre, de nombreuses études utilisant des organoïdes et des neurones post-mitotiques ont mis l’accent sur les processus tels que la formation de l’excroissance ou synapse dendrite, apparaissant plus tard dans le développement. Tandis que ces processus ont été impliqués dans la pathologie des troubles du développement comme l’autisme et la schizophrénie, plus tôt les événements développementaux qui surviennent avant la différenciation neuronale définitive sont également importants pour la pathogenèse de la maladie^{8 ,9,10,11,12,13}. En effet, des études de génomiques récentes montrent que la période de mi-foetale, qui est composée de prolifération, l’excroissance des processus et la migration, est particulièrement importante dans l’autisme pathogenèse^11,14. Ainsi, il est important d’étudier les souches neurales et populations de cellules progénitrices de mieux comprendre ces processus antérieurs. Organoïde systèmes, qui sont le développement du cerveau humain rappel réfléchie pour mieux en raison de leur nature 3D et la structure organisée, contiennent une piscine progénitrices qui a été utilisée pour étudier certains de ces événements antérieurs. Cependant, la population progénitrices dans organoïdes est souvent éparse et plus comme des cellules gliales radiales que neural souches ou progénitrices cellules^5,15. Ainsi, il serait utile de prévoir une méthode de haut débit pour l’étude des premiers stades de développement neurologique dans une population de cellules prolifératives activement.

En laboratoire, nous avons créé un protocole qui utilise des cellules précurseurs neurales dérivé de hiPSC (PNJ), une population mixte de tige de neurones et des cellules progénitrices qui est hautement proliférante, d’étudier les processus neurologiques telles que la prolifération, la migration cellulaire, et extension du processus initial (neurites). Ces essais ont été mis au point des techniques utilisées dans notre laboratoire depuis des décennies à étudier avec succès développement neurologique en rat et souris cultures corticale^{16,17,18,19,20, 21,22,23}. Ce qui est important, on a aussi montré que les phénotypes et les signaux réglementaires définies dans les systèmes de culture de rat et la souris sont très révélatrices des mécanismes qui sont actifs en vivo, indiquant la valeur de ces techniques^{16, 17,18,19,24}. Après différenciation initiale de hiPSCs aux PNJs, ces méthodes nous permettent d’étudier les processus de développement vitales en quelques jours. Ces méthodes présentent de nombreux avantages : (1) qu’ils exigent un équipement peu sophistiqué et sont faciles à mettre en œuvre, (2) nombreuses répliques expérimentales peuvent être effectuées dans un court laps de temps, ce qui permet une confirmation rapide de la reproductibilité des résultats et (3) variables de culture telles que les matrices de revêtement, les effets des facteurs de croissance et l’activité des médicaments peuvent être testées rapidement et à moindre coût. Par ailleurs, nous profitons du rôle bien établi des facteurs de croissance extracellulaires comme régulateurs critiques des divers processus de développement. PNJ ont été exposés pour sélectionner les signaux du développement directement stimulent des événements tels que la prolifération, la croissance des neurites et la migration cellulaire et ont trouvé qu’ils améliorent la capacité à repérer les défauts qui ne sont pas évidents dans des conditions de contrôle^{19 , 25 , 26 , 27 , 28}. de même, la facilité d’évaluation des médicaments fournit un moyen puissant pour adopter des techniques de médecine de précision pour tester l’efficacité de diverses interventions thérapeutiques. Ainsi, le présent protocole facilite un haut débit, reproductible et une méthodologie simple pour étudier le développement précoce du cerveau, pathogenèse de la maladie et les effets bénéfiques potentiels de facteurs de croissance et de drogues sur le développement neurologique des phénotypes.