Les progrès récents de l'ingénierie tissulaire ont ouvert de nouvelles possibilités d'étudier les maladies neurodégénératives, qui touchent des millions de personnes dans le monde et pour lesquelles il existe peu de traitements efficaces. L'un des domaines les plus prometteurs est le développement de modèles de tissus cérébraux vasculaires qui imitent l'environnement complexe du cerveau humain. Ces modèles intègrent des réseaux fonctionnels de vaisseaux sanguins avec des cellules neurales, récapitulant des aspects clés de la physiologie cérébrale que manquent les cultures bidimensionnelles traditionnelles et les organoids simples.

L'importance de la vasculaireisation dans les modèles du cerveau

Dans le cerveau, les vaisseaux sanguins sont essentiels pour fournir de l'oxygène et des nutriments, éliminer les déchets et maintenir la barrière hémato-encéphalique (BBB). Sans une vasculaire vasculaire appropriée, les tissus du cerveau ne peuvent pas reproduire complètement les conditions physiologiques du cerveau humain. Le cerveau consomme environ 20% de l'oxygène du corps, bien que représentant seulement 2% de sa masse, rendant un approvisionnement vasculaire robuste essentiel pour la survie et la fonction neuronales. De plus, le BBB – composé de cellules endothéliales, de péricytes, d'astrocytes et de membranes sous-jacentes – contrôle sélectivement le passage des molécules entre le sang et le parenchyme cérébral.

Dans les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer (DA), la maladie de Parkinson (PD) et la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la dysfonction vasculaire est de plus en plus reconnue comme un facteur précoce et contributif. Par exemple, les réductions du flux sanguin cérébral précèdent le déclin cognitif de la maladie d'Alzheimer, et la dégradation de la BBB permet aux substances neurotoxiques d'entrer dans le cerveau.

Défis dans le développement des tissus cérébraux vasculaires

La création de tissus cérébraux vasculaires en laboratoire présente plusieurs défis redoutables. Surmonter ces obstacles nécessite des approches novatrices en bioingénierie, en biologie cellulaire et en science des matériaux.

Intégration des réseaux de vaisseaux sanguins avec les tissus neuraux

La combinaison réussie des composants vasculaires et neuraux n'est pas seulement une question de mélange des types cellulaires. Les deux compartiments tissulaires doivent être organisés en trois dimensions avec des relations spatiales appropriées. Les cellules endothéliales doivent former des tubes lumenisés entourés de péricytes et de membranes sous-sol, tandis que les neurones, les astrocytes et les microglies occupent l'espace parenchymique.

Assurer la stabilité et la fonctionnalité de la vascularisation

Même lorsque les vaisseaux sanguins se forment, ils ne peuvent pas rester stables au fil du temps. Les cellules endothéliales peuvent dédiguer, les vaisseaux peuvent se régénérer et le phénotype délicat de BBB peut être perdu. La vascularisation artificielle doit être perfusable, pouvant supporter le flux d'un substitut sanguin, pour fournir de l'oxygène et des nutriments tout au long de la construction. Sans écoulement, les vaisseaux s'effondrent et le modèle souffre d'hypoxie.

Redoubler la barrière de sang-goutte , Perméabilité sélective

La BBB n'est pas seulement une barrière physique; elle est une interface hautement réglementée avec des transporteurs spécialisés, des pompes à efflux et des jonctions serrées. La reproduction de ces caractéristiques dans un modèle conçu est difficile. La culture de cellules endothéliales cérébrales avec astrocytes et péricytes peut induire certaines propriétés de barrière, mais obtenir des valeurs de résistance électrique transendothéliale (TEER) comparables à celles de la BBB in vivo (1500-2000 ↓·cm2) est rare. De plus, la BBB présente une hétérogénéité régionale – par exemple, les organes contourniculaires ont des capillaires fenestrés.

Élargir le tissu pour des applications pratiques

La plupart des modèles cérébraux vasculaires actuels sont de petites constructions de taille millimétrique. L'augmentation jusqu'à des dimensions cliniquement pertinentes (centimètres) tout en maintenant la viabilité et la fonction est un obstacle majeur. Les tissus plus grands nécessitent des réseaux vasculaires hiérarchiques qui se ramifient des vaisseaux plus grands aux capillaires, imitant l'architecture des organes réels. Sans une telle hiérarchie, le noyau de la construction deviendra nécrotique.

Techniques et approches

Les chercheurs explorent diverses stratégies pour surmonter ces défis. Chaque approche a ses forces et ses limites, et souvent de multiples techniques sont combinées pour créer des modèles plus physiologiquement pertinents.

Bioimpression 3D

Pour les modèles cérébraux vasculaires, les biopuces contenant des cellules neurales (neurons, astrocytes) sont imprimées aux côtés des biopuces contenant des cellules endothéliales et des péricytes. Une stratégie commune est d'imprimer des filaments sacrificiels (par exemple, gélatine ou Pluronic F127) qui sont dissous plus tard pour créer des canaux creux, qui sont ensuite ensemencés avec des cellules endothéliales. L'impression coaxiale peut également produire directement des structures semblables à des vaisseaux. La bioimpression permet de contrôler le diamètre des vaisseaux, l'angle de ramification et l'organisation spatiale.

Facteurs de croissance et Cues angiogènes

De nombreux protocoles intègrent le VEGF, le facteur de croissance basique des fibroblastes (bFGF) et les angiopoietines dans les hydrogels ou les milieux de culture pour favoriser l'angiogenèse. Cependant, ajouter simplement des facteurs de croissance peut conduire à des vaisseaux non contrôlés et qui fuient. Les chercheurs développent des systèmes d'administration contrôlés spatiotemporellement, tels que les hydrogels ou les microparticules liant l'héparine qui libèrent des facteurs de croissance en réponse aux signaux cellulaires. Certains groupes utilisent la modification génétique des cellules endothéliales pour exprimer de façon constitutive des facteurs angiogènes, bien que cela soulève des préoccupations au sujet de la tumorigenèse.

Dispositifs microfluidiques (Organ-on-a-Chip)

Dans un dispositif typique du cerveau sur puce, un canal central bordé de cellules endothéliales cérébrales est séparé des compartiments neuraux adjacents par une membrane poreuse. La perfusion par le canal vasculaire crée un environnement dynamique qui favorise la formation de BBB. Ces dispositifs sont excellents pour étudier la fonction barrière, le transport des médicaments et les réponses neuroinflammatoires. Cependant, ils sont généralement 2D ou quasi-3D, limitant la complexité de l'architecture des tissus neuraux. Les avancées récentes comprennent l'intégration de compartiments hydrogels 3D et de canaux parallèles multiples pour créer des modèles plus réalistes. Référence : Nature Reviews Neuroscience sur des modèles du cerveau microfluidique.

Technologie des cellules souches

Les protocoles ont maintenant pour but de différencier les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) en cellules endothéliales cérébrales, en péricytes, en astrocytes et en neurones spécifiques à la région. Ces cellules peuvent être assemblées en organoides ou en constructions assemblées. L'un des principaux avantages est la capacité de modéliser les formes génétiques des maladies neurodégénératives (p. ex. mutations de l'APP dans l'AD, LRRK2 dans la PD) en utilisant des iPSC dérivés du patient. Des études récentes ont généré des organoides du cerveau vasculaires en cocultant des progéniteurs neuraux dérivés de l'iPSC avec des cellules endothéliales, ou en utilisant des corps embryonnaires qui subissent spontanément une vasculogenèse.

Applications dans la recherche sur les maladies neurodégénératives

Les modèles de tissus cérébraux vasculaires se révèlent précieux pour étudier l'interaction complexe entre la dysfonction vasculaire et la neurodégénérescence. Ils fournissent une plateforme contrôlée et pertinente pour les études mécanistes et les tests de médicaments qui ne peuvent être réalisés avec des modèles animaux ou une simple culture cellulaire.

Maladie d'Alzheimer

Dans la maladie d'Alzheimer, l'angiopathie amyloïde cérébrale, l'accumulation d'amyloïde-bêta dans les parois des vaisseaux, est un trait distinctif lié à la dégradation de la BBB et à la diminution du flux sanguin cérébral. Les modèles vasculaires permettent aux chercheurs de récapituler cette pathologie en cultivant des cellules endothéliales avec des neurones mutants de l'APP. Ils peuvent étudier comment l'amyloïde-bêta se dépose endommage la BBB, induit une perte péricyte et déclenche une neuroinflammation.

Maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson est caractérisée par la perte de neurones dopaminergiques dans le substrat nigra. La région est hautement vasculaire, et des études postmortem révèlent des anomalies vasculaires telles que la dégénérescence endothéliale et la réduction de la densité capillaire. Les modèles mi-brains vasculaires peuvent être construits en combinant neurones dopaminergiques dérivés de l'iPSC, astrocytes et cellules endothéliales. Les chercheurs peuvent étudier comment les agrégats alpha-synucléine affectent le BBB et si une déficience vasculaire précède ou suit une perte neuronale. Ces modèles fournissent également une plate-forme pour analyser les composés qui peuvent traverser le BBB pour atteindre les neurones touchés.

Maladies de Huntington

Bien que principalement considéré comme un trouble neuronal, des changements vasculaires ont été documentés, y compris une augmentation de la perméabilité BBB et une diminution du flux sanguin cérébral. La chasse aux mutants s'exprime dans les cellules endothéliales et les péricytes, suggérant une intervention vasculaire directe. Le tissu cérébral vasculaire modifié peut aider à disséquer la contribution des cellules vasculaires à la maladie. Par exemple, les cocultures de cellules endothéliales mutantes et de type sauvage avec des neurones peuvent révéler si la dysfonction vasculaire exacerbe la mort neuronale.

Tests de médicaments et médecine personnalisée

L'une des applications les plus pratiques est le développement de médicaments. Beaucoup de composés neuroprotecteurs prometteurs échouent dans les essais cliniques parce qu'ils ne traversent pas le BBB ou parce qu'ils ont des effets vasculaires non ciblés. Les modèles cérébraux vasculaires peuvent être utilisés pour évaluer la perméabilité du BBB, pour détecter la neurotoxicité et pour évaluer comment les médicaments affectent le couplage neurovasculaire.

Orientations futures

Le champ progresse rapidement, mais l'objectif ultime reste de développer des tissus cérébraux entièrement fonctionnels et transplantables pour la médecine régénératrice.

Matériaux avancés et bioimpression

Les hydrogels de la prochaine génération qui imitent les propriétés mécaniques et biochimiques de la matrice extracellulaire cérébrale (MEC) amélioreront la survie et la différenciation des cellules. Des biomatériaux intelligents qui libèrent des facteurs de croissance en réponse à l'activité enzymatique (p. ex., les métalloprotéinases de la matrice) pourraient guider dynamiquement l'angiogenèse.

Intégration avec les microfluidiques et les capteurs

Les futurs modèles intégreront des capteurs pour surveiller TEER, pH, niveaux d'oxygène et sécrétion de cytokine en temps réel. Les systèmes microfluidiques en boucle fermée ajusteront les débits et la composition nutritive en fonction des réactions des capteurs, en maintenant l'homéostasie sur plusieurs mois. Ces plates-formes -organ-on-a-chip , peuvent être multiplexées pour modéliser plusieurs régions cérébrales reliées par un réseau vasculaire, permettant des études sur la façon dont la pathologie se propage (p. ex., propagation de la tau ou de l'alpha-synucléine comme un prion).

Modèles personnalisés et spécifiques au patient

La combinaison de ces modèles avec l'édition génomique (CRISPR) permettra de corriger les mutations associées à la maladie et d'étudier les gènes modificateurs. Les biobanques de tissus cérébraux vasculaires provenant de divers milieux génétiques aideront les chercheurs à comprendre les différences au niveau de la population dans les réponses aux médicaments et le risque de maladie.

Vers les tissus transplantables

Pour les patients ayant des lésions cérébrales importantes suite à un accident vasculaire cérébral ou à une maladie neurodégénérative, la vision thérapeutique ultime est d'implanter des tissus conçus qui s'intègrent à la vascularisation de l'hôte. Des études précliniques chez les rongeurs ont montré que les greffes neuronales prévascularisées survivent mieux et favorisent la récupération fonctionnelle.

Conclusion

En intégrant les vaisseaux sanguins fonctionnels et la barrière hémato-encéphalique, ces modèles capturent l'interaction dynamique entre les systèmes neuronaux et vasculaires qui est au cœur de maladies comme Alzheimer, Parkinson et Huntington. Bien que des défis importants subsistent – de la réalisation d'une vascularisation stable et fonctionnelle à l'augmentation de la portée du dépistage des médicaments – la convergence de la bioimpression, de la biologie des cellules souches, de la microfluidique et de la science des matériaux accélère les progrès. La recherche interdisciplinaire continue non seulement améliorera la modélisation des maladies mais ouvrira également la voie à des thérapies personnalisées et, en fin de compte, à des tissus transplantables qui pourraient restaurer le fonctionnement du cerveau.