Dans une étude récente, le professeur agrégé Makoto Ikeya (Département de l’application clinique) et son équipe de chercheurs ont réussi une méthode pour générer des organes de type mâchoire (mini-organes) à partir de cellules IPS. Leurs recherches sont publiées dans Génie biomédical de la nature.
La mâchoire, composée d’os maxillaires et mandibulaires, est le plus grand organe biominéralisé de la région orale et est très sensible aux dommages irréversibles causés par divers facteurs pathogènes, notamment les défauts génétiques, les infections et le traumatisme. Cependant, un modèle pour récapituler le développement de la mâchoire et la physiopathologie n’ont pas encore été établis.
L’équipe de recherche dirigée par Ikeya a récemment réalisé cet exploit, jetant ainsi les bases des futures études enquêtant sur les mâchoires et en développement de thérapies pour les conditions qui les affectent.
Les chercheurs avaient précédemment établi les moyens de générer, dans la culture cellulaire bidimensionnelle (2D), le type spécifique de cellules de crête neurale crânienne (NCC) capables de se différencier en cellules qui composent la mâchoire. Sur la base de ce savoir-faire, l’équipe de recherche visait à modifier son protocole pour induire des organoïdes mâchoires tridimensionnels (3D).
Après avoir optimisé diverses conditions, notamment des voies de signalisation cellulaire et des appareils de culture cellulaire, ils ont pu induire efficacement le sous-type de NCC souhaité et les développer sous forme d’agrégats cellulaires en utilisant plusieurs lignées cellulaires IPS indépendantes, y compris celles dérivées de patients atteints d’ostéogenèse imparfaite (OI), un trouble osseux héréditaire également connu sous le nom de maladie osésissante.
En utilisant des indices du développement embryonnaire, les chercheurs ont identifié une combinaison de molécules pour stimuler les agrégats de la CNC en un type de cellule intermédiaire appelé ectomesenchyme de proéminence mandibulaire (MDEM). Des analyses détaillées et un traitement supplémentaire de ces MDEM dérivés des cellules IPS ont révélé qu’ils ressemblaient aux MDEM embryonnaires et pouvaient être induits davantage dans des tissus plus différenciés.
Ensuite, les chercheurs ont cultivé des MDEM dérivés des cellules IPS dans des conditions ostéo-inductives et obtenu des grappes de tissus minéralisés blancs avec divers marqueurs et caractéristiques de la formation osseuse, suggérant ainsi la génération réussie d’organeïdes de type mâchoire capables de construire un tissu osseux.
En supposant que ces organoïdes représentent un stade précoce du développement de la mâchoire avant la formation d’un approvisionnement en sang, ils ont transplanté les MDEM dérivés des cellules IPS sous les capsules rénales riches en capillaire contre les tissus greffés) et ont observé la formation de tissus osseux matures hautement minéralisés et vascularisés. Ensuite, pour évaluer la capacité de régénération de ces organes de type mâchoire, ils ont été transplantés directement dans des défauts de mâchoire mandibulaires artificiels chez des souris immunodéprimées.
Bien que la densité des tissus minéralisés ne soit pas aussi élevée que celle des souris greffées osseuses, les animaux avec des greffes organoïdes ont montré une augmentation similaire du tissu minéralisé, qui ressemblait étroitement au tissu osseux mature et a été vascularisé. Ces résultats indiquent ensemble que les organoïdes de type mâchoire pourraient favoriser la régénération osseuse après la transplantation.
Étant donné que l’équipe de recherche a également généré les NCC en utilisant des cellules IPS d’un patient OI avec une mutation autosomique dominante dans le gène COL1A1, ils se sont demandé s’ils pouvaient utiliser des organes de type mâchoire dérivés de ces CNC et de leurs homologues génétiquement sauvés pour modéliser l’OI Physiology. Après quelques jours d’induction de la formation osseuse de MDEM mutants Col1a1, la sécrétion de collagène aberrant a été détectée.
De plus, l’analyse de l’expression des gènes a révélé que COL1A1 et divers marqueurs des cellules ostéogéniques étaient significativement réduits dans les organes de type mâchoire dérivés des cellules OI-IPS. Les analyses histologiques et morphologiques ont dévoilé des matrices osseuses immatures et des cellules anormales de formation osseuse.
En revanche, toutes ces caractéristiques pathologiques ont été améliorées dans des organoïdes de type mâchoire dérivés de cellules OI-IPS génétiquement sauvés. Les organoïdes mutants et mutants et sauvés ont été transplantés sous capsules rénales de souris immunodéprimées pour examiner leur potentiel de formation osseuse in vivo. Comme prévu, les organoïdes de type mâchoire dérivés des cellules OI-IPS ont conduit à une réduction des tissus osseux, avec de nombreuses caractéristiques typiques des os OI. De plus, les cellules mutantes formant des os ont montré des signes accrus de mort cellulaire, ainsi que des matrices osseuses désorientées, ressemblant à la maladie.
Grâce à cet effort, l’équipe de recherche a généré avec succès des organes de type mâchoire représentant une avancée de recherche fondamentale qui bénéficiera à la recherche sur le développement embryonnaire de la mâchoire humaine, la physiopathologie et le développement thérapeutique.
