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Une simulation quantitative du développement de l'embryon

Pour faire progresser la médecine reproductive, il est essentiel de comprendre le début du développement des embryons des mammifères. Une équipe de recherche européenne a pour cela créé le cadre théorique nécessaire.

Recherche fondamentale
Santé

Les premières étapes de l'embryogenèse voient une succession auto-organisée de divisions, de déformations et de réarrangements cellulaires qui débouchent sur la formation de deux lignées cellulaires distinctes séparées dans des couches internes et externes. Une imagerie quadridimensionnelle précise des jeunes embryons pourrait révéler une intense dynamique de surface. Le principal objectif du projet MecaMorphEME était de construire un modèle physique préimplantatoire réaliste de l'embryon de souris, prenant en compte les interactions entre la contractilité de surface et l'adhésion cellule à cellule. Le Dr. Turlier, bénéficiaire de la bourse, souligne que «de façon plus générale, le projet était destiné à construire un cadre numérique pouvant être utilisé pour étudier de façon quantitative la morphogénèse d'un petit groupe de cellules.» Les étapes critiques du développement initial de l'embryon Au stade 8 cellules, l'embryon de souris est soumis à un compactage lorsque les contacts de cellule à cellule s'intensifient et que l'embryon devient compact. Durant la transition suivante de 8 à 16 cellules, les cellules du blastomère se séparent en deux couches: la masse cellulaire interne (MCI) et la couche épithéliale périphérique, appelée trophectoderme. Selon leur position spatiale, les blastomères acquièrent différents destins cellulaires qui détermineront leur avenir. Les cellules du trophectoderme formeront uniquement des structures extra-embryonnaires telles que le placenta. Les cellules de la MCI produiront l'embryon proprement dit et les autres structures extra-embryonnaires. Le modèle physique de la morphogenèse du jeune embryon Les chercheurs ont mis au point un modèle physique initial minimal basé sur les tensions de surface, qui décrit la configuration des doublets cellulaires. Il devrait contribuer à comprendre le processus de compactage. Pour étudier la formation de la MCI lors de la transition de 8 à 16 cellules, les chercheurs ont généralisé cette approche aux doublets cellulaires asymétriques. Ces doublets sont le résultat d'une division cellulaire asymétrique formant au stade 8 cellules un domaine apical auquel est rattaché l'une des cellules filles. Les données expérimentales montrent que le domaine apical se caractérise par une tension contractile réduite. Le doublet prend ainsi une forme asymétrique, les cellules non apicales se retrouvant alors entourées de leurs cellules sœurs du domaine apical. Le cadre mis au point démontre que la séparation asymétrique du domaine apical génère des blastomères présentant une contractilité différente, ce qui déclenche leur triage et leur placement à l'intérieur ou à l'extérieur. La modélisation tridimensionnelle de la morphogenèse embryonnaire prédit que les cellules s'internalisent lorsque les différences de contractilité de surface dépassent un certain seuil et que la forme des blastomères de l'embryon est déterminée par la tension à leur interface. Il est important de noter que cette prévision pourrait être validée de façon expérimentale et utilisée pour la redirection du tri cellulaire dans le blastocyste de l'embryon de souris. Une application utile du modèle Le projet MecaMorphEME a présenté un cadre théorique simple pour analyser la mécanique de l'internalisation cellulaire conduisant à la formation de la MCI dans l'embryon à 16 cellules. Il s'agit de l'une des étapes critiques dans le développement des embryons de mammifères et le modèle révèle que la contractilité relie le positionnement et la spécification du destin des blastomères. En médecine de reproduction assistée, les embryons devant être implantés sont sélectionnés in vitro en procédant à une inspection visuelle. Les auteurs du projet estiment que les «modèles mathématiques peuvent permettre de prendre des décisions plus précises, en tenant compte de la forme des cellules à l'intérieur de l'embryon.» Orientations et développement futurs Les membres du projet ont réalisé des progrès impressionnants dans la modélisation numérique de la morphogenèse de l'embryon. Outre l'amélioration des résultats de la médecine reproductive assistée, le Pr Nedelec et le Dr Turlier estiment que «plusieurs extensions seront intéressantes à explorer. L'une d'entre elles consiste à coupler le modèle mécanique avec un modèle de la réception et de l'émission de signaux entre cellules voisines. Ceci est essentiel pour révéler la dynamique complexe à l'œuvre dans les embryons précoces des mammifères, et qui implique en particulier des modifications génétiques ou épigénétiques.»

Mots‑clés

MecaMorphEME, contractilité, MCI, compactage, modèle physique, embryogenèse

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