Une méthode innovante identifie pour la première fois des types de cellules cérébrales rares

Le suivi de types de cellules rares dans le cerveau s’est révélé difficile. Et pourtant, des altérations de certaines de ces cellules peuvent être associées à diverses maladies, dont la maladie d’Alzheimer. Être capable de les trouver et de les étudier pourrait potentiellement ouvrir un nouveau monde d’analyse cérébrale et d’intervention contre les maladies.

Comme décrit dans un nouvel article dans Génétique naturelleJunyue Cao, généticien de Rockefeller, et ses collègues ont développé une technique peu coûteuse et à haut débit pour trouver ces cellules secrètes en analysant simultanément le cerveau d'une souris entière – un seau numérique qui a capturé 1,5 million de cellules et peut en contenir beaucoup plus.

Un type de séquençage unicellulaire appelé EasySci, leur méthode peut révéler simultanément l’identité de chaque cellule entrée dans le système. Les chercheurs l'ont utilisé pour éclairer les populations cellulaires et les dynamiques spécifiques à différents âges, ainsi qu'à la maladie d'Alzheimer, dans le cerveau de souris et humain. Certains sous-types cellulaires n’ont jamais été observés auparavant.

“Une caractéristique clé d'EasySci est qu'au lieu de nous concentrer sur des régions spécifiques du cerveau, nous pouvons analyser chaque cellule, une par une, sur des millions de cellules, pour créer une vue globale de l'ensemble du cerveau et identifier les changements détaillés pour différents types de cellules. “, déclare Cao, chef du Laboratoire de génomique unicellulaire et de dynamique des populations de Rockefeller. “Nous pouvons utiliser cela pour comprendre le vieillissement et la maladie d'Alzheimer.”

Cela réduit également le coût d’un million de transcriptomes unicellulaires de 10 000 $ à 700 $, et le temps nécessaire à environ une journée.

Une ressource précieuse

Lorsqu’il s’agit de comprendre les maladies neurologiques, l’accès aux tissus cérébraux humains est essentiel. Mais comme il s’agit d’une ressource très précieuse et limitée, la plupart des analyses de tissus cérébraux reposent sur de petites sections provenant de zones sélectionnées du cerveau. Et pourtant, le cerveau humain est un réseau incroyablement complexe composé de plus de 3 000 types de cellules. Être capable de voir sa totalité moléculaire pourrait révéler des cellules cachées qui, bien que rares, pourraient produire un effet démesuré.

Les progrès récents dans le séquençage unicellulaire – une méthode d’analyse génétique axée sur l’expression génétique et la dynamique moléculaire de cellules individuelles – permettent de plus en plus de trouver des cellules rares et d’explorer la dynamique cellulaire. Et même s’il n’est toujours pas possible d’analyser l’intégralité d’un cerveau humain à l’aide du séquençage unicellulaire, le cerveau de la souris constitue un bon modèle pour tester le potentiel technologique.

Pour la présente étude, dirigée par les chercheurs du laboratoire Cao Andras Sziraki, Ziyu Lu et Jasper Lee, l'équipe a utilisé une méthode appelée indexation combinatoire pour en savoir plus sur ces cellules et leur dynamique. La technique consiste à attacher des étiquettes d’identification à différentes molécules, ce qui donne à chaque molécule un code-barres unique. De cette façon, ils peuvent ensuite identifier et compter le nombre de tous les différents types de cellules.

Du plus courant au plus rare

Les chercheurs ont étudié six types de cerveaux : les cerveaux de souris jeunes, adultes et âgées ; des cerveaux de souris présentant une dégénérescence neurale qui imite la maladie d'Alzheimer ; et des tissus provenant de cerveaux humains qui étaient normaux ou atteints de la maladie d'Alzheimer. Les échantillons humains provenaient de l'hippocampe, associé à l'apprentissage et à la mémoire, et du gyrus temporal supérieur et moyen, tous deux situés dans le lobe temporal et liés au traitement du langage et du son.

En analysant plus de 1,5 million de cellules, les chercheurs ont identifié 31 types de cellules et 359 sous-types dans le cerveau de la souris ; près d’un tiers de ces sous-types n’avaient jamais été signalés auparavant. Ils ont découvert que les cellules astrocytes en forme d’étoile dans une région du cerveau, par exemple, étaient différentes des astrocytes dans une autre zone ; certains sous-types, même au sein d’une même région, présentaient des variations.

Les cellules les plus courantes étaient les neurones des granules du cervelet (32,5 %), qui transmettent les informations du système nerveux central au cortex cérébelleux. Les plus rares étaient les neurones du noyau olivaire inférieur (0,05 %), situés dans le tronc cérébral et traitant les données sur les mouvements du corps.

“Si nous avions seulement scanné 100, voire 1 000 cellules, nous n'aurions jamais vu certains de ces types de cellules rares”, explique Cao. “Nous devions scanner des millions de cellules.”

Un autre type de cellule rare qu’ils ont identifié était le pinéalocyte, une cellule de la glande pinéale qui sécrète l’hormone mélatonine, liée au rythme circadien. Il n’y avait que 21 cellules pinéalocytaires dans ce lot d’un million.

Ils ont également appris que les bulbes olfactifs des jeunes souris regorgent d’un groupe spécial de neurones et d’astrocytes qui font plus que doubler au cours des premiers stades de développement, ce qui n’est pas surprenant pour un animal qui s’appuie sur un odorat très développé pour naviguer dans son environnement. Et ils ont découvert que « les neurones du bulbe olfactif ont de nombreux sous-types différents au même endroit avec des fonctions différentes », explique Cao.

Le cerveau d'Alzheimer

Des cellules distinctes – et des changements – ont marqué les cerveaux des personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer, tant chez les souris que chez les humains. Un sous-type rare de cellules épithéliales du plexus choroïde, composants structurels clés de la barrière hémato-encéphalique qui sécrètent du liquide céphalo-rachidien, avait été perdu deux fois plus dans le cerveau de la maladie d'Alzheimer. Ces cellules sont associées à des gènes mitochondriaux qui protègent contre la neurodégénérescence et aux protéines Tau du liquide céphalo-rachidien.

Ils ont également documenté de nouveaux changements dans 20 sous-types de cellules, dont certains dans des régions du cerveau où ils n'avaient jamais été observés auparavant. Ceci est important, dit Cao, car de nombreux chercheurs sur la maladie d'Alzheimer se concentrent sur les régions corticales ou l'hippocampe, associées à des symptômes courants. “Mais comme nous l'avons montré dans le cerveau humain et chez la souris, de nombreuses autres régions subissent des changements”, dit-il.

De plus, ajoute-t-il, avec les techniques conventionnelles, vous ne pouvez identifier que deux ou trois biomarqueurs moléculaires de la maladie à l'intérieur de chaque cellule, mais EasySci peut potentiellement en identifier des milliers. “Et une fois que vous avez identifié ces 'bugs'”, dit-il, “vous pouvez chercher des moyens de les corriger”.

D'autres organes à venir

À l'avenir, Cao et son équipe prévoient d'utiliser EasySci pour numériser des tissus mixtes. “Nous pouvons l'utiliser pour scanner de nombreux cerveaux de divers patients au sein d'une seule expérience”, note-t-il. Comme ils le décrivent dans un article récent dans Natureils ont déjà testé l'approche avec 101 embryons de souris mutantes, scannant simultanément 1,6 million de noyaux cellulaires.

Dans une étude à venir, l’équipe partagera simultanément les résultats de ses analyses de tous les principaux organes internes de la souris. Le cerveau de la souris a également besoin de plus d’attention : l’étude actuelle n’a couvert qu’environ 2 % de cette population cellulaire totale, estimée à environ 100 millions. Étendre cette technologie au cerveau humain, avec ses 170 milliards de cellules, représente un défi plus complexe et nécessitera le développement de nouvelles techniques.

Mais en se concentrant sur l'augmentation de la puissance de débit d'EasySci, Cao est optimiste quant au fait que la méthode sera bientôt capable d'analyser des dizaines de millions de cellules à la fois. “Nous souhaitons affiner cette méthode dans la mesure où elle peut être utilisée pour analyser chaque cellule, de celles du cerveau à l'ensemble du corps. Cela pourrait fournir des informations essentielles pour traiter les changements cellulaires associés au vieillissement et à la maladie d'Alzheimer.” il dit.