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Coopération scientifique - Un intestin humain créé in vitro

Published on 21 novembre 2016
Des chercheurs français et américains sont parvenus à recréer un intestin humain fonctionnel grâce à l’utilisation de cellules souches pluripotentes humaines. Une avancée scientifique majeure.
De gauche à droite : Maxime M. MAHE, PhD - Chargé de recherche à l’Inserm U913 - Instructeur, Département de pédiatrie/Cincinnati Children’s Hospital Medical Center ; James WELL, PhD - Directeur, unité des cellules souches pluripotentes/Cincinnati Children’s Hospital Medical Center ; Michel NEUNLIST, PhD - Chef de l’Inserm U913, Neuropathies périphériques du système nerveux entérique et maladies digestives ; Michael HELMRATH, MD - Chirurgien pédiatre, programme de rééducation intestinale/Cincinnati Children’s Hospital Medical Center.

Des chercheurs américains du Cincinnati Children’s Hospital Medical Center et français de l’Inserm (Unité mixte de recherche 913 « Neuropathies du système nerveux entérique et pathologies digestives », Nantes) ont réussi à recréer un intestin humain fonctionnel grâce à l’utilisation de cellules souches pluripotentes humaines. Pour réaliser cette avancée d’importance, ils ont cultivé des tissus intestinaux humains avec des cellules nerveuses. Le détail de leurs travaux est publié en ligne le 21 novembre 2016 dans Nature Medicine.

L’intestin est un organe essentiel du corps humain. Il constitue la principale interface d’échanges avec le monde externe avec une surface équivalente à deux terrains de tennis. Au vu de son importance, il possède son propre système nerveux et est depuis quelques années communément appelé "le second cerveau". Le système nerveux entérique contrôle de nombreuses fonctions incluant le mélange et la propulsion du bol alimentaire au long du tube digestif, la sécrétion d’hormones, la perméabilité épithéliale. Les perturbations de ce système sont à l’origine de nombreuses pathologies. Son mauvais fonctionnement gène en effet la contraction des muscles intestinaux. Ceci contribue à déclencher des douleurs abdominales, des diarrhées, des constipations et dans les cas graves, crée des obstructions fonctionnelles (occlusions intestinales) qui requièrent une intervention chirurgicale.

Il n’existait, jusqu’alors, aucun modèle biologique pour l’étudier chez l’homme. Les chercheurs ont donc développé une approche innovante d’ingénierie tissulaire associée à l’utilisation de cellules souches pour créer un intestin humain fonctionnel.

Premiers essais in vitro : trouver le bon dosage

Pour cela, l’équipe a ajouté successivement un cocktail de molécules destinées à diriger la différentiation des cellules souches pluripotentes humaines en tissu intestinal. Le processus était quasiment le même que celui utilisé en 2010 puis 2014 par le même laboratoire qui a réussi à mettre au point la toute première génération de tissus intestinaux humains. Mais, avec cette seule approche, les tissus intestinaux ne possédaient pas de système nerveux entérique, indispensable à l’absorption des nutriments et à l’évacuation des déchets au travers des voies digestives.

En parallèle, et afin de concevoir un système nerveux fonctionnel, les chercheurs ont donc créé des cellules nerveuses au stade embryonnaire appelées cellules de la crête neurale. Ces dernières ont été manipulées pour former des cellules, précurseurs des cellules nerveuses entériques. "La difficulté de cette étape était d’identifier comment et quand incorporer les cellules de la crête neurale dans l’intestin en développement précédemment créé in vitro" explique Maxime Mahé, chargé de recherche à l’Inserm, co-premier auteur de ce travail.

La co-culture du tissu intestinal et des cellules précurseurs du système nerveux entérique a permis de générer un tissu humain ressemblant à l’intestin fœtal en développement. Il en a résulté la première génération de « mini-intestins » (appelés organoïdes intestinaux) complexes et fonctionnels, entièrement issus de cellules souches pluripotentes humaines.

Des essais in vivo concluants

Le défi suivant a été de transplanter ces organoïdes fonctionnels dans un organisme vivant, dans ce cas, des souris de laboratoire dépourvues de système immunitaire. Cette étape a permis aux chercheurs d’observer le développement et le fonctionnement des tissus in vivo. Les données de l’étude montrent que les tissus fonctionnent et sont structurés d’une manière remarquablement similaire à celle d’un intestin humain. Ils se développent et assurent les fonctions intestinales, telles que le traitement des nutriments. Ils présentent enfin une motricité similaire au péristaltisme—c’est à dire des séries de contractions musculaires qui déplacent les aliments au travers des voies digestives.

Les chercheurs ont ensuite utilisé cette technologie pour étudier une maladie intestinale rare : la maladie de Hirschsprung—une affection dans laquelle le rectum et le côlon ne développent pas de système nerveux, entraînant constipation et occlusion intestinale. Une forme létale de la maladie de Hirschsprung est provoquée par une mutation du gène PHOX2B. Leurs tests in vitro et chez des souris leur ont permis de démontrer que le gène PHOX2B muté provoque des changements délétères importants dans les tissus intestinaux innervés.

« Nos travaux marquent une étape essentielle dans la compréhension des maladies digestives chez l’Homme où peu de modèle sont présents. Cette nouvelle technologie offre une plateforme de « screening » pour de nouvelles thérapeutiques intestinales. Il s’agit encore des prémices de cette technologie mais une perspective de médecine régénérative et personnalisée est envisageable, notamment en vue de la transplantation d’un intestin spécifique à chaque patient » explique Maxime Mahé.

Cette découverte apporte deux grandes perspectives de recherche. La première sera de modéliser et étudier les troubles intestinaux dans un tissu humain tridimensionnel et fonctionnel, et ce, avec des cellules spécifiques d’un patient. La seconde perspective consistera à tester les nouvelles thérapies sur cet intestin humain fonctionnel avant de proposer des essais cliniques chez l’homme.

Coupe transversale d’organoïde intestinal humain possédant un système nerveux entérique après transplantation chez la souris. ©Maxime M. Mahe/CCMH
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