Un gel fait passer la culture de neurones à la 3D

Une équipe du CNRS et de l'Inserm a développé un gel facilitant la culture cellulaire des neurones. Une découverte qui pourrait ouvrir de nouvelles voies de recherche, jusqu'à présent limitée par la difficulté de cultiver des neurones in vitro.

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Un gel fait passer la culture de neurones à la 3D
Cellules nichées au coeur des fibres du gel moléculaire.

Les neurones sont des cellules capricieuses. Leur structure unique, en étoile, faite d'un axone et de plusieurs dendrites, se prête difficilement à une culture cellulaire classique, en deux dimensions. « La plupart des cultures cellulaires se font à partir de certains biomatériaux ou hydrogels sur lesquels les cellules neuronales se développent difficilement », expliquent Juliette Fitremann, chercheure associée au CNRS et Laurence Vaysse, ingénieure de recherche à l'Inserm. Pour se rapprocher des conditions de croissance physiologiques, le modèle alternatif le plus utilisé actuellement consiste à obtenir des neurones en cultivant des cellules-souches dans une matrice extra-cellulaire adaptée, issue de sarcome de souris. À cause de cette origine cancéreuse, les cultures cellulaires utilisant ce support ne peuvent être implantées dans le corps humain, ce qui rend impossible les études cliniques. Autre alternative, le recours à un hydrogel à base de peptides synthétiques, qui donne de bons résultats mais dont les composants sont très complexes à produire. Cette difficulté à trouver un support simple et fiable a des conséquences pour la recherche fondamentale. Elle complique l'étude in vitro sur les neurones et met en péril la répétabilité des expériences. Au final, ce sont la recherche de médicaments et les études sur le fonctionnement cellulaire des cellules neuronales et sur la réparation des lésions neurologiques qui en paient le prix. Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l'Inserm et du CNRS, basés à Toulouse, ont développé un gel unique : le N-heptyl-galactonamide. « L'originalité de ce gel réside dans le fait qu'il est très mou par rapport à un gel de polymère. Également, il est composé d'un mélange hétérogène de fibres de différentes tailles, incluant notamment de très grosses fibres droites et des fibres plus fines et flexibles qui offrent des rigidités différentes sur lesquelles peuvent se poser les cellules », détaille Juliette Fitremann.

Un gel facilement reproductible

Les chercheuses ont observé un bon développement des cellules-souches dans ce gel qui favorise la différenciation en neurones avec des interconnexions à la fois à courte et à longue distances, selon le type de fibre que les cellules ont suivi. Le second avantage de ce gel 3D par rapport aux gels de polymère actuellement utilisés est sa structure invariable. « Nous avons développé un gel synthétique qui, par nature, devrait être plus reproductible par rapport à des polymères naturels qui, eux, sont soumis à des variations d'un lot à l'autre », insiste Juliette Fitremann. La structure 3D du gel se rapproche ainsi de l'environnement dans lequel ces cellules se développent à l'intérieur du corps humain. Pour l'heure, les chercheures ont testé les propriétés du gel pour des cultures de cellules allant jusqu'à une dizaine de jours. Leurs travaux ont été publiés récemment dans ACS Applied Materials et Interfaces en mai 2018. Les chercheures soulignent également la relative simplicité de conception du gel, qui nécessite quelques jours de travail en laboratoire. Fortes de cette avancée, les équipes CNRS et Inserm travaillent sur des évolutions de leur produit et des possibilités de tests sur des durées plus longues. Au final, le développement de ce gel aura nécessité quelques années d'études. Le N-heptyl-galactonamide fait partie d'une famille de gélifiants moléculaires découverts dans les années quatre-vingt et habituellement connus pour donner des gels instables. Chimiquement, un gel est habituellement composé de molécules de solvant - ici de l'eau (on parle alors d'hydrogel) - qui sont emprisonnées dans un réseau de polymère. Dans le cas des gels moléculaires, le réseau qui supporte le gel est composé non pas d'un polymère, mais par l'auto-assemblage de petites molécules pour donner des fibres. En travaillant sur les conditions de formation du gel, les chercheurs modifient les propriétés du gel, et notamment sa stabilité. La formation et l'architecture du gel peuvent être suivies par microscopie optique ou électronique. Juliette Fitremann lève un coin de voile sur ce travail si particulier sur la chimie des gels. « Le principal souci a été de trouver un gel moléculaire biocompatible. En effet, ces gels un peu particuliers peuvent présenter des doses et des fragments toxiques pour la cellule », précise la chercheure. Des propriétés qui ont amené à de nombreux essais et allers-retours entres les équipes de chimistes et de biologistes, avant de trouver la formulation la plus optimale. Une collaboration qui s'est avérée fructueuse. « C'est difficile de se passer des collaborations entre chimistes et biologistes, les découvertes viennent fréquemment de là ! Les biologistes s'appuient souvent sur des matériaux commercialement disponibles, mais en trouvant des partenaires qui développent de nouveaux matériaux, il y a des avancées originales qui se font », souligne Juliette Fitremann. Pour la recherche comme pour les neurones, les connexions demeurent fondamentales.

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