Des modèles d’embryons humains issus de cellules souches dévoilent la première semaine cruciale après l’implantation

Des scientifiques ont mis au point des modèles d’embryons humains à partir de cellules souches cultivées en laboratoire, offrant une fenêtre inédite sur la première semaine décisive qui suit l’implantation dans la paroi utérine.

Comprendre plus finement ce qui se produit juste après qu’un œuf fécondé s’enfouit dans la muqueuse de l’utérus au début de la gestation pourrait éclairer la fertilité, les pertes de grossesse très précoces et l’apparition de malformations du développement. Jusqu’ici, notre capacité à analyser ces étapes critiques du développement embryonnaire humain a toutefois été limitée par des obstacles à la fois éthiques et techniques.

Modèles d’embryons humains : une « boîte noire » enfin accessible après l’implantation

« Le drame se joue dans le premier mois, les huit mois restants de la grossesse sont surtout beaucoup de croissance », explique le généticien moléculaire Jacob Hanna, de l’Institut Weizmann des sciences en Israël.

« Mais ce premier mois reste en grande partie une boîte noire. Notre modèle d’embryon humain dérivé de cellules souches propose une façon éthique et accessible de regarder à l’intérieur de cette boîte. »

Comment des cellules souches s’auto-organisent pour mimer le développement embryonnaire

L’équipe internationale a amené des cellules souches humaines d’origine humaine, non différenciées et génétiquement non modifiées, à former des structures complexes capables d’imiter le développement embryonnaire humain.

Cette approche met en évidence l’impressionnante aptitude des cellules souches humaines à s’auto-organiser. Elle s’appuie sur une avancée récente dans la génération de cellules souches « de type embryonnaire », et fournit aux chercheurs un nouvel outil pour explorer des phénomènes qui, jusqu’à présent, restaient difficiles à étudier en raison de contraintes pratiques et éthiques.

Parmi les caractéristiques clés absentes des modèles antérieurs figurent les trois lignées qui contribuent au placenta et aux structures de soutien de l’embryon, ainsi que la couche de cellules qui forme l’embryon avant qu’il ne se replie sur lui-même et ne se développe en différents tissus et organes.

Des travaux précédents avaient montré que des cellules souches prélevées sur des embryons de souris peuvent encore être orientées artificiellement pour se développer en tissus qui soutiennent l’embryon et constituent l’embryon lui-même, en s’assemblant d’elles-mêmes en un modèle d’embryon à base de cellules souches (SEM) au stade post-gastrulation, lorsque les cellules embryonnaires s’organisent en trois grands types de tissus corporels.

« Ici, nous étendons ces résultats à l’être humain, tout en n’utilisant que des cellules souches embryonnaires humaines naïves génétiquement non modifiées », écrivent Hanna et ses collègues.

« Nous avons ensuite testé la capacité à former des structures de type embryon… susceptibles de mimer différentes étapes du développement naturel humain in utero. »

Des conditions optimisées de culture, de l’implantation à 13-14 jours post-fécondation

Les chercheurs ont déterminé des conditions optimales - notamment le nombre de cellules, les proportions au sein des mélanges cellulaires et la composition des milieux de culture - adaptées à diverses phases, en commençant au moment où l’implantation survient 7–8 jours après la fécondation.

« Ces SEM humains complets ont montré des dynamiques de croissance développementale qui ressemblent à des caractéristiques clés de l’embryogenèse au stade post-implantation jusqu’à 13-14 jours après la fécondation », écrivent les auteurs.

Les modèles illustrent l’assemblage de toutes les lignées et de tous les composants connus des embryons humains aux tout premiers stades, notamment l’épiblaste, l’hypoblaste, le mésoderme extra-embryonnaire, le trophoblaste et le sac vitellin.

Les profils cellulaires issus du jeu de données des SEM humains se sont révélés proches des motifs d’expression génique et de la composition en types cellulaires observés dans des embryons humains peu après l’implantation, en comparaison avec un jeu de données de référence.

Les auteurs soulignent que les SEM humains ne sont pas identiques à des embryons, mais qu’il s’agit d’un modèle ouvrant d’importantes possibilités de recherche.

« De nombreux échecs de grossesse surviennent dans les toutes premières semaines, souvent avant même que la femme ne sache qu’elle est enceinte. C’est aussi à ce moment-là que prennent naissance beaucoup de malformations, même si elles sont généralement détectées bien plus tard », indique Hanna.

« Nos modèles peuvent servir à mettre au jour les signaux biochimiques et mécaniques qui garantissent un développement correct à ce stade précoce, ainsi que les façons dont ce développement peut dérailler. »

L’étude a été publiée dans Nature.