Une équipe de recherche dirigée par le professeur Jacob Hanna de l'Institut scientifique Weizmann a créé des modèles complets d'embryons humains à partir de cellules souches cultivées en laboratoire et a réussi à les cultiver en dehors de l'utérus jusqu'au 14e jour. Les modèles d'embryons synthétiques présentaient toutes les structures et compartiments caractéristiques de cette étape, y compris le placenta, le sac vitellin, le sac chorionique et d'autres tissus externes qui assurent la croissance dynamique et adéquate des modèles.

Les agrégats cellulaires dérivés de cellules souches humaines dans des études antérieures ne pouvaient pas être considérés comme des modèles d’embryons humains véritablement précis, car ils manquaient de presque toutes les caractéristiques déterminantes d’un embryon post-implantatoire. En particulier, ils ne contenaient pas plusieurs types de cellules essentielles au développement de l’embryon, comme celles qui forment le placenta et le sac chorial. De plus, ils ne possédaient pas l’organisation structurelle caractéristique de l’embryon et ne révélaient aucune capacité dynamique à progresser vers l’étape de développement suivante.

 

Compte tenu de leur complexité, les modèles d’embryons humains obtenus par le groupe de Hanna pourraient constituer une opportunité sans précédent et apporter un nouvel éclairage sur les débuts mystérieux de l’embryon. On sait peu de choses sur l’embryon précoce car il est très difficile à étudier, pour des raisons à la fois éthiques et techniques, mais ses premières étapes sont cruciales pour son développement futur. Au cours de ces étapes, l'amas de cellules qui s'implante dans l'utérus au septième jour de son existence devient, en trois à quatre semaines, un embryon bien structuré qui contient déjà tous les organes du corps.

 

"Le drame se situe au cours du premier mois, les huit mois restants de la grossesse sont principalement constitués de beaucoup de croissance", explique Hanna. « Mais ce premier mois reste en grande partie une boîte noire. Notre modèle d’embryon humain dérivé de cellules souches offre un moyen éthique et accessible d’examiner cette boîte. Il imite fidèlement le développement d’un véritable embryon humain, en particulier l’émergence de son architecture d’une finesse exquise''.

 

L’équipe de Hanna s’est appuyée sur son expérience antérieure dans la création de modèles d’embryons de souris basés sur des cellules souches synthétiques. Comme dans cette recherche, les scientifiques n’ont utilisé ni ovules fécondés ni utérus. Au lieu de cela, ils ont commencé avec des cellules humaines connues sous le nom de cellules souches pluripotentes, qui ont le potentiel de se différencier en de nombreux types de cellules. Certaines provenaient de cellules de peau adulte qui étaient redevenues « souches ». D’autres étaient la progéniture de lignées de cellules souches humaines cultivées pendant des années en laboratoire.

 

Les chercheurs ont ensuite utilisé la méthode récemment développée par Hanna pour reprogrammer les cellules souches pluripotentes afin de remonter le temps plus loin : ramener ces cellules à un état encore plus ancien – appelé état naïf – dans lequel elles sont capables de devenir n'importe quoi, c'est-à-dire spécialisé dans tout type de cellule. Cette étape correspond au 7ème jour de l’embryon humain naturel, à peu près au moment où il s’implante dans l’utérus. L’équipe de Hanna avait en fait été la première à commencer à décrire des méthodes permettant de générer des cellules souches humaines naïves, dès 2013 ; ils ont continué à améliorer au fil des années ces méthodes, qui sont au cœur du projet actuel.

 

Les scientifiques ont divisé les cellules en trois groupes. Les cellules destinées à devenir l’embryon ont été laissées telles quelles. Les cellules de chacun des autres groupes ont été traitées uniquement avec des produits chimiques, sans aucune modification génétique, de manière à activer certains gènes, ce qui visait à amener ces cellules à se différencier en l'un des trois types de tissus nécessaires au maintien de l'embryon : le placenta, le sac vitellin ou la membrane extraembryonnaire du mésoderme qui crée finalement le sac chorial.

 

Peu de temps après avoir été mélangées dans des conditions optimisées et spécifiquement développées, les cellules ont formé des amas, dont environ 1 % se sont auto-organisés en structures complètes ressemblant à des embryons. « Un embryon est autonome par définition ; nous n’avons pas besoin de lui dire quoi faire – nous devons simplement libérer son potentiel encodé en interne », explique Hanna. « Il est essentiel de mélanger dès le début les bons types de cellules, qui ne peuvent être dérivées que de cellules souches naïves qui n’ont aucune restriction de développement. Une fois que vous faites cela, le modèle embryonnaire lui-même dit : ''On y va!''.

 

Les structures embryonnaires basées sur des cellules souches (appelées SEM) se sont développées normalement à l’extérieur de l’utérus pendant 8 jours, atteignant un stade de développement équivalent au 14e jour du développement embryonnaire humain. C’est à ce moment-là que les embryons naturels acquièrent les structures internes qui leur permettent de passer à l’étape suivante : le développement des progéniteurs des organes du corps.

 

Les modèles complets d'embryons humains correspondent aux schémas classiques en termes de structure et d'identité cellulaire.

Lorsque les chercheurs ont comparé l'organisation interne de leurs modèles d'embryons dérivés de cellules souches avec des illustrations et des sections d'anatomie microscopique dans des atlas d'embryologie classiques des années 1960, ils ont découvert une étrange ressemblance structurelle entre les modèles et les embryons humains naturels à l'origine.



Les recherches du professeur Jacob Hanna sont soutenues par l’Institut Helen et Martin Kimmel pour la recherche sur les cellules souches, ainsi que par Pascal et Ilana Mantoux.