Des mini-organes à fort potentiel
Les mini-organes issus de cellules souches humaines permettent de répondre à des questions médicales. Pour ce faire, la professeure de l'ETH Barbara Treutlein travaille en étroite collaboration avec l'entreprise pharmaceutique Roche. Cela présente des avantages pour les deux partenaires.
Les amas de cellules sont petits, de quelques millimètres à quelques centimètres. Pourtant, dans la recherche médicale, elles peuvent faire bouger de grandes choses. La professeure de l'ETH Barbara Treutlein travaille avec de tels organoïdes. Ces systèmes semblables à des organes sont le développement tridimensionnel de cultures cellulaires et se composent de différents types de cellules dans des structures tissulaires complexes. Dans le laboratoire de Treutlein, tous les organoïdes sont issus de tissus humains. "Nous travaillons sur différentes questions médicales avec ces organoïdes", explique Barbara Treutlein, professeure de biologie quantitative du développement. Par exemple, sur les causes possibles d'un trouble du spectre autistique.
On sait, grâce aux données des patients, quels gènes sont liés à l'autisme. Afin d'étudier leur influence sur le développement du cerveau, les chercheurs ont fait pousser un organoïde cérébral composé de cellules nerveuses à partir de cellules souches. A l'aide du ciseau génétique Crispr/Cas, ils ont désactivé de manière ciblée certains gènes dans cet organoïde. Cette expérience a été réalisée par des collègues de l'Académie autrichienne des sciences. Le groupe de recherche de Treutlein a ensuite évalué l'énorme quantité de données de l'analyse de cellules individuelles à l'aide des méthodes bioinformatiques les plus modernes. "Nous avons ainsi pu découvrir à la fin ce qui a provoqué cette désactivation des gènes. Existe-t-il des mécanismes supérieurs à tous les gènes ? Y a-t-il des mécanismes spécifiques aux gènes ?", poursuit Treutlein. "Grâce à cette approche, nous pouvons essayer de mieux comprendre une maladie". Les chercheurs ont ainsi découvert quels réseaux de gènes sont responsables du développement de l'autisme dans quels types de cellules du cerveau.
À propos de la personne
Barbara Treutlein est professeure de biologie quantitative du développement au Département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich à Bâle.
Outre ses travaux sur les irrégularités du développement cérébral, le laboratoire de Treutlein collabore également à l'Atlas cellulaire humain. Il s'agit d'un atlas de référence qui devrait un jour décrire tous les types de cellules du corps humain pendant le développement et à l'âge adulte. Des chercheurs du monde entier y travaillent sans relâche. Le groupe de recherche de Treutlein apporte surtout des données sur la caractérisation des cellules du système nerveux. Lors des expériences, les chercheurs analysent plus de 20 000 gènes par cellule, et ce sur des milliers de cellules. Pour gérer l'énorme quantité de données, les collaborateurs travaillent avec l'apprentissage automatique. "Les algorithmes reconnaissent des modèles dans l'océan de données", explique Treutlein. Les données ainsi obtenues sont intégrées dans l'atlas de référence et peuvent être consultées par les chercheurs du monde entier pour leurs expériences.
Avec des cellules de patient(e)s
Une partie des organoïdes du laboratoire de Treutlein provient de cellules souches embryonnaires, qui sont conservées depuis des décennies au niveau international en tant que lignées cellulaires. Comme celles-ci se trouvent au tout début du développement humain, elles peuvent - en fonction de l'environnement - se développer en tous les types de cellules et donc en chaque organoïde.
Mais le groupe de recherche génère également lui-même des cellules souches à partir de tissus adultes. Ces cellules souches induites proviennent de cellules corporelles, donc par exemple de cellules de la peau ou de globules blancs. Grâce à des facteurs appropriés introduits dans les cellules, ces cellules somatiques se reconvertissent en cellules souches à partir desquelles un nouvel organoïde peut être créé. "Ce qui est passionnant dans cette approche, c'est que nous pouvons isoler des cellules de patients, en tirer des cellules souches et finalement générer un organoïde", explique Treutlein. "Cela reflète le développement des organes de chaque patient". Les chercheurs peuvent ainsi imiter l'apparition de maladies dans la boîte de Petri et tenter de les comprendre de manière mécaniste.
Une doctorante du groupe de recherche de Treutlein étudie actuellement une telle maladie : l'hétérotopie périventriculaire. Dans cette maladie du cerveau, les cellules nerveuses ne suivent pas le bon chemin pendant le développement. L'épilepsie peut en être une conséquence. On sait que 21 gènes sont impliqués. Si les scientifiques désactivent ces gènes dans l'organoïde cérébral, il en résulte un déséquilibre des différents types de cellules. Il s'agit encore de conclusions provisoires de premières expériences. "Mais si nous comprenons mieux les mécanismes, cela peut servir de base au développement de thérapies", explique Treutlein.
Plus d'un type de cellule
Il n'existe aujourd'hui pratiquement aucune possibilité de traitement contre certains types de cancer du pancréas. Dans le cadre d'un projet commun avec l'Institute of Human Biology (IHB) de Roche, basé à Bâle, la professeure de l'ETH travaille sur des organoïdes basés sur des cellules cancéreuses prélevées chez des patients lors d'une biopsie. Ces "tumoroïdes" permettent aux chercheurs de tester toute une série de médicaments et leurs effets. Dans le cas du cancer du pancréas, il s'agit de trouver une possibilité de traitement. Pour d'autres types de cancer, la médecine personnalisée est au centre des préoccupations : quel médicament est le plus efficace pour tuer les cellules cancéreuses chez cet individu ? Lors d'un tel Drug Screening, plusieurs tumoroïdes sont produits à partir d'une biopsie afin de pouvoir tester différents médicaments sur eux.
Ensemble pour la prochaine génération de biomédecins
L'ETH Zurich, en collaboration avec Roche deux nouveaux programmes de recherche et de formation a été lancé. L'accent est mis sur le développement et l'application de nouvelles méthodes de bioingénierie ainsi que de nouveaux systèmes de modèles cellulaires et génétiques humains. Il est prévu d'intégrer jusqu'à vingt doctorants et post-doctorants dans chacun des programmes, sur une durée de trois à quatre ans. La collaboration se déroule principalement sur le site de Bâle. C'est là que se trouvent le Département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich, le domaine Pharma Research and Early Development de Roche ainsi que son Institute of Human Biology.
La particularité des tumoroïdes avec lesquels Treutlein et l'IHB de Roche travaillent réside dans leur composition : ils ne contiennent pas seulement des cellules cancéreuses. L'IHB a développé un modèle de tumoroïde composé de trois types de cellules différents. Outre les cellules cancéreuses, il contient également des cellules du tissu conjonctif et des cellules endothéliales. "Les expériences montrent que cette tumoroïde complexe réagit très différemment aux médicaments qu'une tumoroïde traditionnelle dans laquelle les cellules cancéreuses sont cultivées seules", explique Treutlein. La prochaine étape consiste maintenant à enrichir en outre le tumoroïde complexe avec des cellules immunitaires.
Le groupe de recherche de Treutlein a analysé les cellules individuelles des tumoroïdes. Contrairement à l'analyse au microscope, qui permet d'affirmer globalement si le tissu cancéreux meurt ou non, la technologie des cellules individuelles de Treutlein permet d'obtenir des informations beaucoup plus précises. "Les organoïdes sont des structures complexes", explique la chimiste. "C'est pourquoi il est important de les analyser en détail". L'analyse des gènes et des protéines au niveau des cellules individuelles permet aux scientifiques de lire avec quelle efficacité un traitement anticancéreux agit dans la tumoroïde.
"Ce projet montre de manière exemplaire à quel point la collaboration avec l'IHB de Roche est précieuse pour nous", déclare Treutlein. Matthias Lütolf, directeur de l'IHB et professeur de bioingénierie à l'ETH Lausanne, abonde dans ce sens : "En tant que l'une des plus grandes écoles du monde, l'ETH Zurich est un partenaire idéal pour l'IHB. La qualité des doctorants et des chercheurs de l'EPF parle d'elle-même et est déterminante pour le succès des activités de recherche communes". Pour Barbara Treutlein, c'est surtout la différence d'orientation entre la haute école et l'industrie pharmaceutique qui explique le succès. "En tant qu'université, nous pouvons plutôt nous engager dans des projets à long terme et donc aussi à risque. Dans l'industrie, nous apprécions le lien avec la pratique et ses applications possibles".
Dans l'enseignement, l'ETH Zurich et Roche ont lancé un programme doctoral commun. Un doctorant de l'IHB travaillera bientôt dans le laboratoire de Treutlein. Les deux chercheurs estiment que le fait que l'ETH Zurich, avec son Département des systèmes biologiques, se trouve sur place à Bâle est un grand avantage. "Nos étudiants communs devraient avoir libre accès aux laboratoires des deux partenaires et être en mesure de passer d'une installation à l'autre en très peu de temps", déclare Lütolf. "Je suis convaincue qu'une recherche réussie nécessite des échanges personnels".
"Globe" Connecté à Bâle
Ce texte est paru dans l'édition 24/01 du magazine de l'ETH. Globe a été publié.