Une plate-forme multi-électrodes pour modéliser l’épilepsie à l’aide d’assembloïdes cérébraux dérivés de cellules souches pluripotentes humaines
27 septembre 2024
Ce protocole vise à plaquer de manière stable des assembloïdes fusionnés dorsaux-ventraux sur des réseaux multi-électrodes pour modéliser l’épilepsie in vitro.
Au cours des dernières décennies, une explosion de découvertes génétiques a permis d’identifier des centaines de gènes qui causent ou sont associés à l’épilepsie. Cependant, les mécanismes pathogènes sont moins bien explorés. Notre laboratoire étudie comment les changements génétiques affectent le développement précoce du cerveau et entraînent des malformations cérébrales et l’épilepsie, une maladie débilitante caractérisée par des crises chroniques.
Les épilepsies génétiques ont généralement été étudiées à l’aide de modèles animaux, notamment des souris, des poissons-zèbres, des drosophiles et des lapins. Plus récemment, les cellules souches humaines ont été utilisées pour modéliser les épilepsies génétiques à mesure que les techniques de différenciation des cellules souches en tissu neurologique ont progressé. Avec l’avènement des organoïdes cérébraux, vous pouvez récapituler les aspects de la structure du développement du cerveau.
Il est difficile de mesurer l’activité électrophysiologique et de déterminer les biomarqueurs de l’activité liée à l’épilepsie à partir d’organoïdes et d’assembloïdes cérébraux. En partie, cette technique est limitée parce que les organoïdes cérébraux ne peuvent pas avoir de crises comme un animal intact. Néanmoins, la découverte de différences électrophysiologiques dans ce modèle in vitro et les réponses aux traitements médicamenteux peut aider à déterminer les mécanismes pathologiques et les réponses thérapeutiques dans les épilepsies génétiques.
L’activité électrophysiologique peut être évaluée à l’aide d’enregistrements traditionnels de remontée de patchs, d’enregistrements locaux sur le terrain avec des électrodes et de techniques optiques telles que l’imagerie du calcium et de la tension de la mémoire. L’utilisation d’enregistrements multiélectrodes a l’avantage de pouvoir lancer deux enregistrements au fil du temps et d’enregistrer simultanément à partir de plusieurs emplacements d’un assemblage.
Aperçu
Ce protocole décrit la mise en place stable d'assemblonoïdes fusionnés dorso-ventraux sur des matrices de microélectrodes (MEA) afin de modéliser l'épilepsie in vitro. Il aborde les difficultés liées à la mesure de l'activité électrophysiologique et à la compréhension des mécanismes pathologiques des épilepsies génétiques à l'aide d'organonoïdes cérébraux dérivés de cellules souches humaines.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Recherche sur l'épilepsie
- Neurodéveloppement
Contexte général
- Les découvertes de gènes ont permis d'identifier de nombreux gènes associés à l'épilepsie.
- Les mécanismes pathogènes restent insuffisamment explorés malgré les progrès réalisés dans la modélisation.
- Les cellules souches humaines et les organoïdes cérébraux se sont imposés comme modèles pour l'étude des épilepsies génétiques.
- La mesure de l'activité neuronale dans les organoïdes est limitée par rapport aux modèles animaux intacts.
Objectif de l'étude
- Établir un protocole pour la mise en place stable d'assembloïdes sur des MEA.
- Étudier les différences électrophysiologiques observées dans les modèles in vitro.
- Évaluer les réponses aux traitements médicamenteux dans la modélisation des épilepsies génétiques.
Méthodes utilisées
- Utilisation de réseaux multiélectrodes (MEAs) pour les enregistrements électrophysiologiques.
- Modélisation à l’aide d’assembloïdes fusionnés dorso-ventraux dérivés de cellules souches humaines.
- Les étapes critiques incluent le prétraitement de la surface des MEAs, la préparation des puits et le positionnement des assembloïdes.
- Observation de la maturation neuronale dans le temps avec des évaluations de l’activité en réseau.
Résultats principaux
- Une durée accrue des salves de réseau a été observée au fur et à mesure que les neurones maturaient.
- L'activité cellulaire et du réseau a été surveillée dans le temps, s'atténuant finalement vers le jour 125.
- L'évaluation des réponses aux médicaments pourrait aider à découvrir les mécanismes pathologiques de l'épilepsie.
Conclusions
- Cette étude propose une méthode solide pour modéliser l'épilepsie in vitro à l'aide d'assembloïdes sur des MEA.
- Les résultats permettent des investigations détaillées des mécanismes pathologiques et des réponses au traitement des épilepsies génétiques.
- Les connaissances acquises pourraient améliorer la compréhension des mécanismes neuronaux associés à l'épilepsie.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
Des assembloïdes cérébraux dérivés de cellules souches pluripotentes humaines cultivés sur des réseaux de microélectrodes (MEA) permettent une mesure longitudinale et non destructive de l'activité des réseaux neuronaux, pertinente pour l'épilepsie. Cette plateforme comble l'écart translationnel entre la découverte génétique et la compréhension mécanistique en offrant un système scalable et spécifique à l'humain pour l'interrogation fonctionnelle et le profilage de la réponse aux médicaments. L'approche renforce la confiance prédictive lors de la validation précoce des cibles et oriente les décisions de portefeuille ajustées au risque dans le développement de neurothérapeutiques.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet l'évaluation fonctionnelle de variants génétiques impliqués dans l'épilepsie à l'aide de circuits neuronaux d'origine humaine.
- Permet une détection mécanistique des risques en révélant des phénotypes au niveau du réseau et des profils d'activité anormaux.
- Facilite l'interrogation fondée sur des hypothèses concernant l'intégration neuronale excitatrice et inhibitrice.
- Offre une plateforme pour évaluer l'impact d'interventions candidates sur la dynamique du réseau pertinente pour la maladie.
Développement de criblages et de tests
- Permet un dosage électrophysiologique robuste et longitudinal pour quantifier l'activité du réseau sur des périodes prolongées.
- Prend en charge la mesure reproductible des potentiels de champ, des potentiels d'action et des motifs de salves à travers plusieurs assembloïdes.
- Permet une préparation standardisée de systèmes neuronaux complexes en 3D en vue d'analyses de criblage de composés.
- Facilite l'acquisition de données multiplexées et évolutives pour l'analyse comparative des réponses aux médicaments.
Recherche translationnelle et préclinique
- Aligne les phénotypes de réseaux in vitro avec des biomarqueurs pertinents pour la recherche sur l'épilepsie.
- Assure une continuité allant de la découverte génétique à la validation préclinique dans un contexte propre aux humains.
- Permet la progression ajustée au risque des candidats neurothérapeutiques selon des résultats fonctionnels.
- Permet une évaluation mécanistique des interventions thérapeutiques dans un système contrôlé et évolutif.
Intégration du pipeline et du flux de travail
Cette plateforme d'assembloïdes basée sur des MEA constitue un pont entre la découverte précoce et la recherche préclinique en permettant la validation fonctionnelle de cibles, le développement de tests et l'alignement de biomarqueurs translationnels dans la modélisation de l'épilepsie.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification d'hypothèses et la réduction des risques mécanistiques en quantifiant les effets des perturbations génétiques ou pharmacologiques au niveau du réseau.
- Tri : Fournit des données électrophysiologiques quantitatives et reproductibles, adaptées à l'évaluation de composés et à la normalisation des tests.
- Analytique : Permet la mesure longitudinale des sursauts du réseau, de la maturation et de la réponse aux médicaments pour des analyses comparatives.
- Recherche translationnelle : Corrèle les phénotypes in vitro avec les mécanismes des maladies, soutenant ainsi des décisions précliniques guidées par des biomarqueurs.
- Réutilisation en entreprise : Offre une plateforme réutilisable et adaptable pour modéliser diverses régions cérébrales et diverses affections neurologiques.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans la validation des cibles et réduit l'ambiguïté mécanistique dans la recherche sur l'épilepsie.
- Valeur opérationnelle : Standardise les essais neuronaux complexes afin d'assurer leur reproductibilité et leur évolutivité au sein des équipes de recherche et développement.
- Valeur stratégique : Améliore la prise de décision concernant les poursuites ou l'abandon de projets et l'efficacité du capital en fournissant des données fonctionnelles humaines précocement dans le processus.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation et une avancée ajustées au risque des actifs neurothérapeutiques fondées sur des preuves fonctionnelles solides.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en différenciation des cellules souches, culture d'organoïdes et mise en place de tests électrophysiologiques.
- Exige un accès à un équipement de tableau à microélectrodes et à une infrastructure analytique permettant l'acquisition de données à haut contenu.
- Implique une standardisation interéquipes des protocoles de semis, d'entretien et d'analyse des données.
- Adaptable à divers organoïdes spécifiques à des régions cérébrales, mais peut nécessiter une optimisation selon les types de tissus.
- La stabilité de la culture et de l'enregistrement à long terme est essentielle pour des études longitudinales fiables.
