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La jonction neuromusculaire (NMJ) est la synapse chimique entre les motoneurones (MN) et les cellules musculaires squelettiques (SkM) qui permet la contraction musculaire. Les toxines, telles que la neurotoxine α-bungarotoxine (BTX), ou les maladies neuromusculaires (NMD) comme la myasthénie grave (MG) peuvent entraîner une dégénérescence de la NMJ et des réductions du contrôle musculaire1. Les modèles de tissus humains issus de la bioingénierie récapitulent mieux les mécanismes fonctionnels et physiologiques des NMJ humains et offrent un plus grand potentiel de traduction que les modèles animaux.
Bien que les modèles animaux aient fait progresser la compréhension de la formation et de la fonction du NMJ, il existe des différences significatives entre les synapses humaines et animales qui limitent la traduction des résultats chez l’homme et rendent la caractérisation in vivo du NMJ difficile 2,3,4. Des études ont montré des différences physiologiques distinctes entre les NMJ de souris et les NMJ humains. Les souris ont des NMJ plus importants et des densités de zone active plus petites par rapport aux NMJ humains4. De plus, les études sur les médicaments menées sur des modèles animaux ne reflètent pas toujours les effets observés dans les essais cliniques chez l’homme. Les modèles de tissus humains modifiés offrent la possibilité d’étudier le développement sain de la NMJ et la pathologie des maladies neuromusculaires et permettent des dépistages de médicaments. Les cellules souches pluripotentes induites par l’homme (hiPSCs)5 peuvent être différenciées en une variété de types de cellules, y compris les cellules musculaires squelettiques 6,7 et les motoneurones 8,9. Les CSHS peuvent être générés facilement à partir des cellules des patients, ce qui permet une meilleure modélisation de la maladie10 et un dépistage des médicaments11,12 grâce à des modèles tissulaires spécifiques au patient.
Les co-cultures monocouches bidimensionnelles (2D) de SkM et de MN n’ont pas la morphologie, le phénotype, l’organisation et le comportement fonctionnel des NMJ physiologiques. Les NMJ se forment aléatoirement en culture 2D, ce qui inhibe l’isolement des unités motrices pour l’analyse, limite les mesures fonctionnelles précises et empêche leur utilisation pour des expériences répétées et systématiques13 . Les modèles tissulaires tridimensionnels (3D) des NMJ surmontent bon nombre de ces limitations, récapitulant les caractéristiques morphologiques et fonctionnelles des NMJ physiologiques 7,14,15,16,17. À l’aide de ce modèle, les deux types de tissus sont développés séparément, puis intégrés en dirigeant la croissance axonale, ce qui permet aux NMJ plus organisés de se développer par rapport aux systèmes de culture 2D.
Notre étude précédente a démontré que la combinaison de l’optogénétique avec l’ingénierie tissulaire peut permettre une stimulation et une évaluation non invasives précises de la fonction NMJ18,19. Grâce au génie génétique, les protéines sensibles à la lumière peuvent être intégrées dans le génome des hiPSC. L’intégration de la channelrhodopsine-2 (ChR2), un canal ionique qui s’ouvre en réponse à la lumière bleue, dans la membrane des cellules excitables telles que les neurones permet un contrôle spatio-temporel sans contact de l’activation cellulaire 20,21,22. Les hiPSC porteurs de ChR2 peuvent être différenciés en motoneurones optogénétiques sensibles à la lumière bleue, éliminant ainsi le besoin d’électrodes invasives typiques qui stimulent les neurones et évitant la stimulation indésirable des cellules musculaires par des électrodes23. Ce système utilise des motoneurones optogénétiques pour stimuler les contractions dans les cellules musculaires squelettiques non optogénétiques. La combinaison de l’acquisition vidéo et de l’éclairage contrôlé de la lumière bleue permet aux tissus co-cultivés d’être simultanément stimulés et enregistrés pour la fonction NMJ.
La MG est causée par des auto-anticorps ciblant les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine (AChR), ce qui entraîne une diminution de la fonction NMJ et une faiblesse musculaire24. Il est diagnostiqué en fonction des symptômes présentés, de l’électrodiagnostic et de la détection d’auto-anticorps via des tests sanguins sérologiques. Cependant, tous les auto-anticorps impliqués dans la MG n’ont pas été identifiés, et certains patients séronégatifs reçoivent un diagnostic de MG mais sans anticorps reconnus25,26. Notre système permet une évaluation fonctionnelle répétée du NMJ avant et après l’ajout de sérum chez les patients atteints de MG, fournissant des informations inestimables sur les changements fonctionnels et biochimiques causés par les anticorps MG18. Notre protocole illustre comment produire des modèles 3D in vitro de NMJ humain fonctionnel qui peuvent être utilisés pour diagnostiquer et étudier les pathologies NMJ et tester des thérapies potentielles. Nous démontrons la polyvalence du système en deux plates-formes, un dispositif microfluidique et une plus grande plate-forme de bioréacteur à puits ouvert.