Système cellulaire minimal pour étudier la gastrulation chez les mammifères – Gastrulation

Une des caractéristiques les plus frappantes du développement embryonnaire est que la différenciation se passe de façon spatialement ordonnée: les tissus s’auto-organisent pour former des motifs bien définis qui préfigurent l’organisation de l’organisme adulte. L’un des premiers de ces évènements morphogénétiques est la gastrulation, au cours de laquelle les cellules de l'embryon sont répartis en trois couches germinales: ectoderme, l'endoderme et du mésoderme. Durant les dernières décennies, les voies de signalisation responsables de l'initiation de la gastrulation chez les embryons de mammifères ont été identifiées. Toutefois, les règles physiques régissant la structuration spatiale des tissus et les vastes mouvements morphogénétiques survenant pendant ce processus sont toujours mal comprises.

L'étude de la formation de ces motifs est difficile sur des embryons vivants, en raison des difficultés qu’il existe à pouvoir les observer, en particulier ceux qui se développent dans l'utérus, mais aussi parce qu'il ne est pas possible dans un embryon de contrôler de façon quantitative les paramètres qui sont susceptibles d'être pertinents pour l'établissement de la structure des tissus embryonnaires, tels que la taille et la forme du tissu et son environnement physique et chimique.

Récemment, nous avons fait un premier pas vers la récapitulation in vitro de l’auto-organisation des tissus embryonnaires en montrant que des cellules souches embryonnaires (ESC) confinées sur des motifs circulaires de taille comparable aux embryons de mammifères en utilisant la technologie de micro-patterns adhésifs et traitées avec un signal induisant la gastrulation (BMP4) se différencient de façon spatialement ordonnée, en anneaux concentriques. Notablement, au niveau de l'anneau de cellules de mésoderme, les ESC présentent la signature moléculaire et morphologique des cellules en train de gastruler. Ces résultats démontrent que le confinement géométrique est suffisant pour déclencher l’auto-organisation des tissus embryonnaires. La culture des ESC sur micro-patterns adhésifs fournit ainsi un moyen d’analyse quantitative pour étudier le développement précoce.

Nous proposons ici d'étudier comment les propriétés physique (rigidité du substrat, taille et forme du tissu) et chimique (profil spatio-temporel des signaux de différenciation) du microenvironnement des cellules affecte le motif final, en tirant parti de la boîte à outils micro-fluidique et de la micro-fabrication. Nous voulons ainsi de définir quel est l'ensemble minimal de conditions aux limites permettant à la gastrulation d’avoir lieu. Avec cette série d'expériences, nous nous attendons à mieux comprendre les règles physiques régissant l'auto-organisation des tissus lors de la différenciation. Cette connaissance est nécessaire si nous voulons pouvoir un jour faire pousser in vitro des organes fonctionnels.