Des scientifiques cultivent le premier tissu cérébral entièrement synthétique

L'équipe de l'UC Riverside conçoit un tissu cérébral sans ingrédients d'origine animale

Dans une avancée qui pourrait transformer la manière dont les laboratoires étudient le cerveau, des chercheurs de l'University of California, Riverside rapportent avoir cultivé un tissu cérébral fonctionnel sur un support entièrement composé de matériaux synthétiques. Ces travaux remplacent les revêtements d'origine animale et les extraits de matrice extracellulaire couramment utilisés par un polymère chimiquement neutre dont l'architecture physique guide à elle seule les cellules de donneurs humains pour former des réseaux neuronaux. Cette approche vise à rendre les tests neurologiques plus contrôlables, plus durables et moins dépendants des modèles animaux.

Comment le support est fabriqué

L'équipe a construit son support à partir de polyéthylène glycol (PEG), un polymère biocompatible largement utilisé qui est normalement inerte vis-à-vis de l'adhésion cellulaire. Au lieu d'ajouter des ligands biologiques tels que la laminine ou la fibrine — des suppléments standard souvent issus de tissus animaux — les chercheurs ont remodelé le PEG en un labyrinthe poreux interconnecté et hautement texturé. Les cellules ensemencées dans les pores peuvent accéder à l'oxygène et aux nutriments et, surtout, s'organiser en amas de type cérébral qui communiquent électriquement une fois matures.

Pour réaliser cette microarchitecture poreuse, le groupe a utilisé une étape de fabrication basée sur les flux : des solutions d'eau, d'éthanol et de PEG ont été pompées à travers des capillaires en verre emboîtés de sorte que le mélange se sépare en phases au contact d'un flux d'eau externe. Un flash lumineux a ensuite figé la structure séparée, produisant un support stable et hautement poreux pouvant être ensemencé de cellules neuronales de donneurs. C'est cette structure physique contrôlée qui guide la réponse des cellules, plutôt que des revêtements biologiques, affirment les chercheurs.

Pourquoi la voie synthétique est importante

La plupart des plateformes actuelles de culture neuronale tridimensionnelle reposent sur des extraits biologiques — par exemple, des préparations de membrane basale — qui sont chimiquement complexes, variables d'un lot à l'autre et souvent dérivés de sources animales. Ces variables rendent les expériences plus difficiles à reproduire et compliquent les efforts de transposition des résultats à la médecine humaine. En revanche, le PEG est chimiquement bien défini et non immunogène ; les supports ainsi construits peuvent donc être fabriqués avec une composition et des propriétés mécaniques constantes, et ne nécessitent pas de suppléments d'origine animale pour soutenir la croissance cellulaire lorsque la microarchitecture est correctement optimisée. Ces propriétés ont fait des hydrogels de PEG un outil fondamental de l'ingénierie des tissus neuraux depuis des années ; ces nouveaux travaux démontrent une voie pour rendre le PEG non seulement permissif mais instructif pour l'organisation neuronale en adaptant sa géométrie interne.

Sa place parmi les autres modèles cérébraux

Au cours des dernières années, les laboratoires ont poussé les technologies d'organoïdes et d'assembloïdes — des amas de neurones dérivés de cellules souches humaines capables de modéliser des aspects de régions et de voies cérébrales — à un niveau de fidélité remarquable, incluant la reproduction de circuits transmettant des signaux sensoriels. Ces systèmes reposent sur des indices biochimiques et l'auto-organisation cellulaire fournis par des matrices biologiques et des protocoles complexes. Le support de l'UC Riverside est complémentaire : plutôt que de s'appuyer sur la complexité biologique, il offre une plateforme physiquement définie qui peut améliorer la reproductibilité et la longévité des expériences nécessitant des réseaux stables et spécifiques au donneur. Ensemble, ces approches offrent aux chercheurs différents compromis entre réalisme biologique, contrôle expérimental et préoccupations éthiques concernant l'utilisation des animaux.

Applications potentielles et avantages

Les chercheurs soulignent plusieurs utilisations à court terme : la modélisation des traumatismes crâniens et de la mécanique des accidents vasculaires cérébraux, l'étude de processus pathologiques tels que la maladie d'Alzheimer dans des cellules spécifiques au donneur, et le dépistage de médicaments neuroactifs sans tissus animaux. Parce que le support synthétique est fixe et moins sujet à la dégradation biochimique, il peut supporter des expériences plus longues permettant aux cellules neuronales d'atteindre la maturité — une exigence clé puisque de nombreuses caractéristiques des maladies neurologiques n'apparaissent que dans les neurones matures. L'équipe voit également cela comme une première étape vers l'assemblage de réseaux de différents modèles d'organes afin que les scientifiques puissent étudier les interactions entre le cerveau et d'autres tissus de manière contrôlée.

Limites et passage à l'échelle

Les supports actuels sont de petite taille — environ deux millimètres de large — et les chercheurs reconnaissent plusieurs défis d'ingénierie avant que l'approche puisse remplacer des modèles plus grands ou plus complexes. Le principal défi est la perfusion : les structures tissulaires plus larges nécessitent une vascularisation intégrée ou des canaux synthétiques efficaces pour acheminer l'oxygène et éliminer les déchets. La conception et la fabrication de réseaux vasculaires capables de soutenir des tissus à l'échelle d'un organe, et la connexion de ces réseaux à la matrice cérébrale synthétique, restent des domaines de recherche actifs. Des questions subsistent également sur la manière dont les interactions immunitaires, la physiologie de la barrière hémato-encéphalique et d'autres influences systémiques peuvent être modélisées dans un support entièrement synthétique.

Éthique, réglementation et promesse de réduire l'expérimentation animale

Outre la reproductibilité expérimentale, le support synthétique répond aux pressions éthiques et réglementaires visant à réduire les tests sur les animaux. Les agences de réglementation et les organismes de financement dans plusieurs juridictions encouragent le développement de systèmes de test non animaux pour la sécurité et l'efficacité des médicaments, et les plateformes synthétiques définies pourraient accélérer cette transition en offrant des bancs d'essai reproductibles et pertinents pour l'humain. Néanmoins, les régulateurs attendront une validation minutieuse montrant que les réponses dans le modèle synthétique prédisent les résultats chez l'humain, ce qui prendra du temps et nécessitera des réplications entre laboratoires.

Les prochaines étapes à surveiller

• Changement d'échelle — démonstrations de structures plus larges et de systèmes de vascularisation ou de perfusion synthétiques intégrés.
• Validation fonctionnelle — études d'électrophysiologie et de réponse aux médicaments montrant un comportement prévisible et spécifique au donneur, pertinent pour la maladie.
• Comparaisons multi-plateformes — tests comparatifs directs entre les supports synthétiques, les organoïdes et les modèles animaux pour un même médicament ou une même agression.
• Engagement réglementaire — premières discussions avec les agences pour définir comment les tissus synthétiques pourraient être utilisés dans les pipelines précliniques.

L'équipe de l'UC Riverside a débuté le projet en 2020 et bénéficie du soutien financier de fonds de démarrage internes et de subventions d'État pour la médecine régénérative. Le concept de support a déjà conduit le groupe à soumettre des travaux connexes sur le tissu hépatique synthétique et ils continuent de poursuivre des stratégies pour connecter des cultures à l'échelle des organes en systèmes interactifs. Si ces prochaines étapes réussissent, l'approche pourrait fournir aux chercheurs une nouvelle classe de modèles tissulaires évolutifs et centrés sur l'humain pour les neurosciences et la découverte de médicaments.

James Lawson est journaliste d'investigation en sciences et technologies pour Dark Matter. Titulaire d'un MSc en communication scientifique et d'un BSc en physique de l'University College London, il couvre les avancées dans les domaines de l'IA, de l'espace et des technologies quantiques.