Comment faire pousser une oreille et pourquoi

Jun 11, 2023

Dan a obtenu un doctorat en biochimie de SUNY Buffalo et a complété des bourses postdoctorales à l'USDA et à l'Université Carnegie Mellon. Il est un écrivain indépendant dont les travaux ont été publiés dans Massive Science, The Daily Beast, VICE et GROW. Dan est surtout intéressé à écrire sur la façon dont les molécules collaborent pour créer des phénomènes de la taille d'un corps.

La première chose que font la plupart des scientifiques lorsqu'ils étudient quelque chose est de le regarder. Un chiroptère regarde une chauve-souris. Un géologue regarde la Terre. Mais pour un scientifique intéressé par l'oreille interne, cela devient plus délicat. Il est difficile d'examiner une oreille interne attachée à un animal vivant qui a besoin de cette oreille pour entendre et équilibrer sans tuer les cellules sensibles qu'elle abrite, détruire la structure complexe de l'oreille elle-même ou simplement déséquilibrer tout le système. Dans ces cas, il est plus facile de faire pousser une oreille, ou quelque chose comme ça, en laboratoire et de l'étudier à la place.

Les scientifiques créent des organoïdes à partir de divers tissus tels que le cerveau, les reins et le foie depuis des années (1–3). Pour les tissus externes comme l'oreille, cependant, le domaine n'en est qu'à ses balbutiements. Mais ces dernières années, il y a eu une vague d'avancées dans la biologie moléculaire de la perte auditive et une capacité naissante à modéliser avec précision l'architecture complexe de l'oreille en laboratoire à l'aide de cellules souches.

La perte auditive est le troisième problème de santé le plus courant chez les adultes, après les maladies cardiaques et l'arthrite. Environ 1,3 milliard de personnes dans le monde en sont affectées, la génétique, les infections et le bruit environnemental étant parmi les causes les plus courantes (4). La perte auditive résulte souvent de cellules ciliées endommagées. Ces cellules hautement spécialisées convertissent les déviations de leurs projections capillaires dans la cochlée en signalisation neuronale. Au cours de la vie d'une personne, ces cellules s'usent. Puisqu'ils ne se régénèrent pas, cette durée de vie des dommages à l'oreille peut être permanente (5).

Les scientifiques dans le domaine créent de nouveaux systèmes organoïdes auriculaires pour tester des thérapies pour l'oreille interne. En raison de l'architecture sophistiquée et élaborée de l'oreille, ils travaillent dans certaines des circonstances biologiques les plus difficiles que le corps humain puisse offrir. Au fil du temps, ils ont appris que souvent le meilleur modèle pour étudier l'oreille ressemble davantage à une boule de cellules.

Lorsque Karl Koehler a commencé ses études supérieures à l'Université de l'Indiana, il s'intéressait aux cellules souches. "En particulier, j'étais fasciné par le développement sensoriel - comment nous développons ces appareils vraiment compliqués qui détectent les signaux externes et les envoient au cerveau", a-t-il déclaré. Il a eu un coup de chance. "Il se trouve que le seul laboratoire qui accueillait de nouveaux étudiants et qui se concentrait sur le développement sensoriel et les cellules souches était un laboratoire de l'oreille interne."

Koehler a rejoint le laboratoire d'Eri Hashino, une pionnière dans le domaine de la biologie des cellules souches. Lorsque Koehler est arrivé, des scientifiques du monde entier essayaient de développer des méthodes reproductibles pour utiliser des cellules souches pluripotentes afin de créer n'importe quel tissu souhaité par un chercheur. Le groupe de Hashino a utilisé des cellules souches pour créer des cellules nerveuses auditives, qui sont fréquemment endommagées par des insultes environnementales comme des bruits forts et ne repoussent pas. Koehler voulait emprunter une voie différente ; il voulait utiliser des cellules souches pour modéliser l'architecture de l'oreille interne elle-même afin d'aider les scientifiques à voir comment les maladies de l'oreille perturbent le flux d'informations du son à l'oreille et au cerveau.

Le cerveau est une grande cible; l'oreille est une cible. - Karl Koehler, faculté de médecine de Harvard

"Le cerveau est une grande cible, l'oreille est une cible", a déclaré Koehler, aujourd'hui neurobiologiste et chercheur sensoriel à la Harvard Medical School. Mais contrairement à un jeu de fléchettes, l'oreille interne n'est pas plate. Il s'agit d'une structure complexe, multicouche et tridimensionnelle. Ne pas apprécier la dimensionnalité de l'oreille a conduit à des années d'échecs pour les chercheurs sur les cellules souches essayant de modéliser l'oreille in vitro ou de développer des cellules ciliées, qui convertissent la stimulation mécanique en signaux nerveux. "Au lieu de cultiver les cellules souches sur un plat plat, ce qui est très différent de la façon dont les cellules se développeront normalement dans l'embryon, si vous les retirez du plat et les avez en trois dimensions, vous pouvez leur donner les degrés de liberté dont ils ont besoin pour s'auto-organiser", a déclaré Koehler.

S'inspirant d'un groupe de recherche au Japon utilisant des structures tridimensionnelles pour développer des organoïdes rétiniens, en 2013, Koelher et Hashino ont cultivé des cellules souches en culture avec des protéines de la matrice extracellulaire (ECM), qui ont agi comme un échafaudage pour le développement de l'oreille interne (6). Cependant, comme il ne s'agit pas de systèmes auditifs entièrement formés avec un conduit auditif, un cerveau et une oreillette - la structure charnue de l'antenne parabolique que les mammifères ont sur la tête et qui est souvent appelée "l'oreille" - il est difficile de mesurer à quel point les organoïdes auditifs réels peuvent se rapprocher.

Néanmoins, le développement de modèles synthétiques ressemblant à des oreilles en laboratoire n'aurait pas pu arriver à un meilleur moment.

"Il y a eu récemment l'adoption d'une législation, la FDA Modernization Act 2.0, qui jette les bases de l'utilisation complète de tests cellulaires pour valider votre nouveau médicament biologique ou médicamenteux ou votre thérapie génique avant de passer aux essais cliniques", a déclaré Koehler. "Cela accorde plus d'importance au développement et à la perfection des systèmes cellulaires."

Comme Koehler, Jeffrey Holt et Gwenaelle Géléoc ont commencé par s'intéresser aux détails les plus fins du système nerveux. Mais rien de particulier ne les a amenés à étudier les oreilles. Après s'être rencontrés en tant que jeunes boursiers postdoctoraux, le hasard de la vie a montré qu'ils aimaient travailler ensemble, et maintenant ils dirigent un laboratoire commun au Boston Children's Hospital.

"J'étais juste fasciné par les cellules sensorielles et par la façon dont elles accomplissaient ce travail unique de conversion d'un stimulus sonore en un signal électrique transmis au cerveau. Et pour moi à ce stade, et même aujourd'hui, le cerveau est comme une grande boîte noire", a déclaré Holt. "Je voulais comprendre comment les informations sont arrivées là-bas."

Les groupes de Holt et Géléoc étudient les organoïdes de l'oreille et développent des thérapies géniques pour traiter les défauts auditifs. Ils utilisent une variété de vecteurs viraux pour étudier le syndrome d'Usher, une maladie génétique incurable qui entraîne des troubles de l'ouïe et de la vue et qui figure parmi les causes les plus courantes de surdicécité dans le monde (7).

À partir de ce travail, leurs groupes étaient devenus assez habiles dans les mécanismes plus fins de la création de thérapies géniques, comme la livraison d'oligonucléotides directement aux cellules en laboratoire. "Je pense que c'est vers 2011 que j'ai réalisé, hé, ce truc pouvait vraiment fonctionner", a déclaré Holt. Au lieu de s'appuyer sur un modèle in vitro d'oreille utilisant des cellules cultivées dans une boîte, ils ont injecté à des souris porteuses de mutations spécifiques responsables du syndrome d'Usher des oligonucléotides antisens (ASO) capables de supprimer ces mutations (8).

"La chose la plus surprenante s'appelait en fait la" réponse de sursaut "", a déclaré Holt. Comme un humain sourd, une souris sourde ne répondra pas à un bruit soudain et inattendu. "Nous pouvons l'utiliser comme test comportemental pour une souris. Une souris sourde ne saute pas, peu importe la quantité de bruit que vous faites. Mais ces souris, une fois que nous leur avons injecté nos vecteurs viraux initiaux et que nous avons émis un son surprenant, elles ont commencé à sauter. Et bien sûr, une fois qu'elles ont sauté avec un sursaut, nous avons commencé à sauter de joie", a déclaré Holt.

Holt et Géléoc ont averti que l'utilisation des organoïdes et des ASO en clinique est quelque chose de très futuriste.

Les humains naissent avec environ 15 000 cellules ciliées qui durent toute une vie (9). Contrairement à d'autres parties du corps, l'oreille interne ne dispose pas d'un pool natif de cellules souches sur lesquelles puiser, de sorte que les cellules ciliées ne se régénèrent pas si elles sont endommagées par le bruit ou une blessure physique.

Bien que des recherches sur l'apport de cellules souches à l'oreille ou même sur la conversion de cellules voisines en cellules ciliées soient en cours, selon Holt et Géléoc, il est difficile de remplacer une cellule ciliée perdue. Les cellules ciliées ne sont pas seulement des cellules hautement spécialisées avec des faisceaux de villosités uniques qui se projettent dans l'oreille comme des mâts de drapeau, mais leur positionnement physique dans l'espace est essentiel à leur fonction. C'est peut-être la caractéristique la plus difficile à récapituler. Si une nouvelle cellule ciliée se développe ou est ajoutée à l'oreille avec une orientation incorrecte, elle ne fonctionnera pas. De plus, même si une nouvelle cellule ciliée est correctement positionnée, elle peut ne pas se connecter correctement aux structures de support de l'oreille telles que le tunnel de Corti, qui canalise les ondes sonores dans l'oreille interne. Lors de la perte de cellules ciliées, le tunnel de Corti s'effondre simplement en un monticule de cellules discrètes (9). Spackling sur des cellules souches dans l'espoir qu'elles repoussent l'oreille interne est hors de portée pour le moment.

Chaque biologiste synthétique, inventeur ou bricoleur doit se poser une question cruciale : cette invention futuriste, un organoïde de l'oreille, est-elle meilleure que les solutions qui existent déjà ?

"C'est une chose dont on ne parle pas souvent, ce défi pour nous", a déclaré Géléoc. "Il existe des appareils pour aider les patients souffrant de perte auditive. Les implants cochléaires font un travail formidable. Ils ne sont pas parfaits, mais la plupart des patients s'en sortent très bien."

"Cela rend le travail encore plus difficile, car maintenant nous devons faire mieux. Si nous allons à la FDA, nous devons les convaincre que ce que nous proposons sera meilleur que les implants cochléaires ou peut-être complémentaire", a-t-elle ajouté.

La thérapie par cellules souches pour les problèmes d'audition n'est probablement pas la prochaine chose à venir à la clinique, mais ce n'est pas non plus de la science-fiction. En fait, certains des premiers travaux après la découverte des cellules souches pluripotentes induites (iPSC) ont été réalisés pour rechercher la perte auditive.

"Un problème de longue date dans notre domaine a été les limites d'accès au matériel pour étudier la biochimie et la biologie moléculaire de l'oreille, en particulier dans les années 1990 lorsque j'ai commencé ce type de travail", a déclaré Marcelo Rivolta, neurobiologiste et biologiste des cellules souches sensorielles à l'Université de Sheffield.

Au début des années 2000, Rivolta est arrivé à l'université au moment même où elle installait son centre de recherche sur la biologie des cellules souches, qui était le premier au Royaume-Uni à utiliser les premières cellules souches embryonnaires humaines générées par Jamie Thompson, chercheur sur les cellules souches à l'Université du Wisconsin-Madison. C'était le début d'un tout nouveau monde. Une fois que les groupes de Thompson et Shinya Yamanaka (actuellement à l'Université de Californie à San Francisco) ont publié leurs méthodes de création d'iPSC en 2007, Rivolta a commencé à rêver. "Je commençais à jouer avec l'idée d'utiliser les cellules non seulement pour la modélisation, mais aussi pour la thérapie cellulaire", a-t-il déclaré.

Plusieurs groupes de recherche ont réussi à greffer des cellules souches dans des modèles animaux de laboratoire de la surdité, mais aucun n'a amélioré l'audition ou l'excitation neuronale dans l'oreille. Le groupe de Rivolta a d'abord tenté de récolter des cellules souches à partir de cochlées fœtales, l'une des rares sources de cellules souches spécifiques à l'oreille. Mais ces cellules rares et difficiles à obtenir meurent généralement après seulement 25 divisions. Au lieu de cela, en modifiant les protocoles d'autres chercheurs, le groupe de Rivolta a réussi à générer et à greffer des cellules souches embryonnaires dans les oreilles de gerbilles devenues sourdes (10). Les cellules souches se sont différenciées avec succès en cellules ressemblant à des cellules ciliées et ont amélioré les seuils de déclenchement neuronal à partir de la stimulation auditive dans l'oreille. Les travaux du groupe de Rivolta et d'autres à l'Université de Sheffield ont conduit à la société de biotechnologie Rinri Therapeutics, qui travaille à produire des thérapies cellulaires pour la perte auditive.

Rivolta est plus optimiste que Holt et Géléoc quant à la capacité des cellules souches à traiter les affections de l'oreille interne. Qu'est-ce qui empêche alors ce travail de se traduire dans la clinique ? Pour l'instant, selon Rivolta, il s'agit en partie d'un problème de fabrication de cellules.

"Les limites de fabrication consistent à s'assurer que nous produisons les bonnes cellules, que nous avons la bonne façon d'identifier les cellules et le bon type de marqueurs", a déclaré Rivolta. "Nous travaillons sur la livraison, comment accéder aux bons endroits dans l'oreille, et nous avons également bien progressé dans ce sens."

[Koehler] peut pratiquement faire n'importe quelle nouvelle oreille dans un plat.- Gwenaelle Géléoc, Boston Children's Hospital

Holt, Géléoc et Koehler font également équipe. Leurs groupes collaborent pour produire un outil unique : des organoïdes de l'oreille interne dérivés directement des cellules des patients. Ce projet est crucial pour tester des thérapies géniques sur mesure pour la perte auditive, en particulier pour les patients atteints du syndrome d'Usher. Le syndrome d'Usher appartient à trois classes génétiques différentes et peut être causé par des mutations dans plus d'une douzaine de gènes différents (8). En plus de cela, l'oreille est au centre de plus que la simple audition, donc les thérapies géniques réussies pour des conditions comme le syndrome d'Usher amélioreront plus que la réaction de sursaut.

Les cellules souches sont un matériau réputé difficile à utiliser. Créer des cellules souches à partir de patients individuels est un pari, mais les chercheurs sont convaincus que leur expérience des premiers jours du domaine leur permettra de s'en sortir.

"[Koehler] peut pratiquement faire n'importe quelle nouvelle oreille dans un plat", a déclaré Géléoc.

Dan a obtenu un doctorat en biochimie de SUNY Buffalo et a complété des bourses postdoctorales à l'USDA et à l'Université Carnegie Mellon. Il est un écrivain indépendant dont les travaux ont été publiés dans Massive Science, The Daily Beast, VICE et GROW. Dan est surtout intéressé à écrire sur la façon dont les molécules collaborent pour créer des phénomènes de la taille d'un corps.