La pratique de la culture des orgues remonte au début duXXe siècle. Les reins furent parmi les premiers organes à être cultivés in vitro lorsque Rienhoff introduisit la méthode de la goutte suspendue pour les reins embryonnaires de poulet en 1922. Dans les années 1950, des cultures rénales embryonnaires de souris (Mus musculus) ont établi l’importance des interactions mésenchyme-épithélium pour guider les processusdéveloppementaux 3,4. Depuis, les cultures de tissus et d’organes servent de méthode pour étudier la morphogenèseramifiée 5,6,7,8,9,10,11,12, la signalisation inductive 3,4,13,14, la différenciation 15,16,17, 18, 19, et leurs mécanismes. Cependant, la culture d’organes in vitro, très pertinente, permet d’ajouter différentes molécules de signalisation, agonistes ou antagonistes/inhibiteurs aux cultures pour surveiller leurs effets sur les événementsmorphologiques 20,21,22.
La culture de reins génétiquement modifiés (MG) a fourni des informations précieuses sur la régulation de la différenciationrénale 6,7,9,20,23,24,25,26,27. Les méthodes de marquage génétique et les techniques d’imagerie en temps réel permettent de visualiser des populations cellulaires spécifiques ou même des cellules individuelles, facilitant l’analyse de leur contribution aux processusmorphologiques 9,10,12,18,24,25,26,28,29,30.
Il existe au moins quatre types différents de systèmes de culture ex vivo rénale : 1) la méthode de la goutte suspendue, où le tissu est cultivé dans une petite goutte moyenne suspendue à une engobe de couverture ou à un couvercle de boîte dePétri 2,31 ; 2) Culture d’interphase liquide de type trowell à air, où les explants sont placés sur une membrane au-dessus d’une grille métallique ou suspendus à un cadre en plastique (inserts commerciaux) avec un support sous la membrane32,33 ; 3) culture à faible volume, où une très petite quantité (~85 μL) de milieu de culture et le tissu sont placés à l’intérieur d’un anneau en silicium sur une lameen verre 34 ; et 4) Culture à direction Z fixe (FiZD) optimisée pour l’imagerie confocale en direct et où le rein est comprimé entre une lame en verre et une membrane séparée par des espaceurs35. La culture rénale de type Trowell est présentée ici pour sa simplicité, sa grande rentabilité, sa facilité de visualisation des processus morphologiques, et parce qu’elle n’est pas liée à une microscopiespéciale 6.
Les méthodes de culture rénale permettent de comprendre l’organogenèse de manière holistique. Les cultures cellulaires primaires offrent une approche complémentaire pour étudier les mécanismes biochimiques et moléculaires, en particulier ceux impliqués dans l’adhésion cellulaire et ses modifications, sa délamination et sa motilité. Pour ceux-ci, la culture in vitro de cellules épithéliales est un excellent modèle36. La culture monocouche du bourgeon urétérique primaire (UB) est établie en environ 48 heures, après quoi les cellules ne se divisent pas mais survivent vivantes pendant environ deuxsemaines. Un tel phénotype non prolifératif peut être utilisé efficacement pour analyser, par exemple, la migration cellulaire par test scratch ou les forces d’adhésion intercellulaires et cellule-matrice 7,37,38. De plus, les cellules issues de souris MG globales peuvent fournir des informations essentielles spécifiques au type cellulaire sur la différenciationrénale 6,7.
Le développement permanent du rein (métanéphros) commence par le processus appelé induction rénale, où les interactions intercurrentes inductives entre le canal de Wolff épithélial (WD, également appelé canal néphrique) et le mésenchyme métanéphrique (MM) induisent la formation du bouton urétérique initial (UB)13,39,40,41. Le MM sécrète des signaux tels que les facteurs de croissance des fibroblastes (FGF) et le facteur neurotrophe dérivé de la lignée cellulaire gliale (GDNF), ce qui fait que les cellules du WD se regroupent d’abord puis dépassent pour former le UB primaire initial, qui envahit le MM 5,40,42,43. Chez la souris, le modèle mammifère le plus courant utilisé pour étudier l’organogenèse, cela se produit au jour embryonnaire 10,5 (E10,5) et chez l’humain vers la semaine gestationnelle 4-5 40,44,45,46.
Le processus d’induction rénale est suivi par le début de la morphogenèse ramifiée de l’UB. Ici, la pointe du bourgeon s’allonge d’abord, puis se gonfle en ampoule pour finalement se bifurquer en une structure en T avec deux nouvelles extrémités (Figure 1)12,37,39,47,48. Les nouvelles pointes UB reçoivent non seulement des indices réglementaires du MM, mais influencent également activement le sort et le comportement du MM 6,42,49. En conséquence, la différenciation de l’épithélium de néphron est induite par chaque extrémité UB (Figure 1). Ainsi, l’étendue de la branche UB détermine le nombre final de néphrones dans le rein. La morphogenèse ramifiée se poursuit avec des cycles itératifs jusqu’à la naissance, mais la majorité des ramifications se produisent sur 10 à 13 cycles, ayant lieu par E15,5 chez la souris, après quoi le taux de formation de nouvelles pointes diminuesignificativement de 30,49. Fait intéressant, la formation de néphrons se poursuit plus longtemps, et la base morphologique et moléculaire de celle-ci commence seulementà être élucidée 50,51,52,53,54.
L’UB est divisé moléculairement et fonctionnellement en deux sous-populations, la pointe et la tige, qui diffèrent par leurs profils d’expression génique et leur capacité de prolifération 12,55,56,57,58,59. La plupart des bifurcations qui engendrent de nouvelles branches se produisent dans les extrémités, tandis que la différenciation a lieu dans la région du tronc où naissent les deux types de cellules ducales collectrices, les cellules principales et intercalées, 11,12,60,61,62. Des études fortement dépendantes des cultures rénales in vitro ont identifié que les pointes UB hébergent une population progénitrice capable de donner naissance à de nouvelles pointes, le tronc, l’uretère et l’ensemble du système de conduitscollecteurs 5,25. Malgré la régionalisation connue des troncs de pointe, les mécanismes qui contrôlent les décisions de différenciation versus auto-renouvellement au sein des progéniteurs de conduits collecteurs sont peu connus. Il est important de noter que l’identité in situ des progéniteurs de conduits collecteurs et les moyens de les identifier ne sontqu’à 37 d’émergence.
La pointe UB constitue une niche fondamentale pour l’établissement du mésenchyme de la capuche, qui constitue le réservoir progéniteur néphron(NP) 13,63. D’un côté, le mésenchyme de la capsule est entouré par l’UB, et de l’autre côté par les progéniteurs stromales donnant naissance aux cellules interstitielles, telles que les péricytes et les cellules mésangiales (Figure 1)27,64,65,66,67,68. Au cours de chaque cycle de branche UB, un sous-ensemble de cellules NP s’auto-renouvelle pour maintenir la population NP, et une autre portion est induite à se différencier en néphronnesfonctionnels 66. On sait beaucoup moins sur le comportement des progéniteurs stromals, qui, bien que persistent autour des cellules NP à la périphérie du rein embryonnaireen croissance 65,69.
Le mésenchyme de la capsule hébergeant les cellules NP est très organisé et dynamique parnature 28,66. Les cellules les plus proches des extrémités sont les véritables progénitrices, tandis que celles un peu plus éloignées, dans les aisselles du bouton T, sont pré-engagées dans la différenciation 18,28,67. Ainsi, la position des cellules NP à l’intérieur du chapeau influence clairement leur destin, tandis que leur comportement dynamique, comme en témoigne leur capacité à migrer dans et hors du compartiment du chapeau, suggère une flexibilité dans les décisions destinées au niveau de la cellule individuelle. Des études comparatives récentes ont établi que les thèmes régulateurs globaux des progéniteurs rénaux sont bien conservés entre la souris et l’humain 18,46,70,71,72, ce qui soutient également l’utilisation future de la culture d’organes.
La différenciation du néphron se produit à proximité immédiate de l’épithélium UB et commence lorsque les signaux provenant de l’UB, et possiblement du strome environnant, induisent les progéniteurs engagés du néphron à former une condensation cellulaire appelée agrégat prétubulaire (Figure 1)13,47. Ce groupe cellulaire subit ensuite une transition mésenchymale vers épithéliale pour former la vésicule rénale, une structure axialement polarisée avec des destins de segments proximaux et distaux de néphron établis. Cela signifie que la position de la cellule dans la vésicule détermine si elle deviendra partie intégrante du corpuscule rénal contenant des podocytes, une touffe glomérulaire et des cellules mésangiales, ou s’incorporera dans les segments plus distaux du tubule convoluté proximal, la boucle descendante de Henle, la boucle ascendante de Henle, la macula dense et le tubule convoluté distal. L’identité finale est déterminée par les signaux complexes émanant de l’UB, du stroma et de la vésicule elle-même, et inclut, par exemple, les voies NOTCH, RHO etWNT 19,21,73,74. La détermination du destin dans la vésicule rénale représente un exemple classique d’interactions inductives tissulaires se produisant dans un organe intact, qui ne peut être étudié sans organisation structurelle 3D.
Depuis la vésicule rénale, la néphrogenèse progresse à travers des étapes morphologiques bien décrites pour former des corps en forme de virgule et de S, où les identités régionales sont renforcées et où d’autres types cellulaires, comme les endothéliums, envahissent en formant des glomérulesen développement 48,75. Enfin, à l’arrêt de l’organogenèse, le réservoir de progéniteurs indifférenciés est utilisé pour fournir la capacité de filtration rénale pour la vie18,67. Les étapes anatomiques et morphologiques de la néphrogenèse, y compris l’innervation, sont bien représentées dans la néphrogenèse in vitro 76,77. Cependant, la vascularisation du rein ne se produit pas dans les systèmes classiques de culture rénale. Cet aspect peut être étudié avec certaines limitations par greffe rénale sur la membrane chorioallantoctoïqueaviaire 78,79.
En plus de la culture d’organes complets, il existe des méthodes pour générer des organoïdes ressemblant à des reins à partir de cellules pluripotentes. Différents protocoles mettant l’accent sur la création de néphronnes 80,81,82,83, bourgeons urétériques 84,85,86, et organoïdes avec des structures d’ordre supérieur 87, ainsi que des tubuloïdes, les cultures 3D du segment de néphron et l’épithélium du canalcollecteur 88,89, exister. Ce sont des outils précieux pour étudier la morphogenèse rénale, par exemple chez l’humain, où une quantité limitée de matière fœtale est disponible. Cependant, les méthodes organoïdes ne peuvent pas récapituler l’organogenèse intacte de la même manière que la culture d’organes in vitro. Dans cet article, nous fournissons des instructions détaillées pour établir des cultures rénales de type Trowell et des colonies cellulaires épithéliales primaires à partir de l’UB. Ces protocoles ont principalement été utilisés pour les reins embryonnaires de souris, mais servent également au développement des reins chez les rats. Nous démontrons que la culture de type Trowell est également efficace pour les reins embryonnaires de la souris épineuse (Acomys dimidiatus) – un modèle de rongeur novateur avec une capacité de régénérationexceptionnelle 90,91,92,93,94. L’avantage de la culture rénale embryonnaire réside dans sa facilité d’installation et son utilisation économique.