Connues pour jouer un rôle clé dans le développement de nombreux tissus, les cellules de la crête neurale (image ci-dessus) seraient au cœur des mécanismes de régénération chez les mammifères, selon les scientifiques. © Jholy De la cruz / Inserm

Seuls quelques animaux dans le monde possèdent la capacité de régénérer des tissus, ce qui leur permet de faire repousser des morceaux de membres ou des membres entiers après amputation. Dans une étude publiée dans la revue PNAS, une équipe de recherche de l’Inserm, de l’Université de Montpellier et du CHU de Montpellier montre que des embryons de souris cultivés en laboratoire ne peuvent initier la régénération des bourgeons de membres antérieurs, tels que les pattes avant, que durant une période extrêmement courte : entre 10,5 et 12,5 jours après la fécondation, au moment où les bourgeons de membres commencent tout juste à se former. En dehors de cette fenêtre, cette capacité disparaît complètement. Les scientifiques démontrent que ce phénomène repose sur une population spécifique de cellules de la crête neurale, connues pour jouer un rôle clé dans le développement de nombreux tissus. Leurs résultats suggèrent que ces cellules sont au cœur des mécanismes de régénération chez tous les vertébrés. L’équipe a également réussi à induire la régénération après une amputation en transplantant ces cellules dans un embryon qui en était dépourvu et avait perdu sa capacité de régénération. Cette étude réalisée dans le cadre du programme de recherche Biothérapies et bioproduction de thérapies innovantes marque une nouvelle étape vers une médecine régénératrice, capable de restaurer les tissus biologiques et leurs fonctions.

 Contrairement aux lézards et aux salamandres dont la queue peut repousser, la régénération de tissus est très limitée chez les mammifères. Il existe néanmoins quelques exceptions bien connues : les cerfs renouvellent leurs bois chaque année, et les lapins sont capables de réparer des tissus excisés dans leurs oreilles.

Une autre exception notable concerne les embryons de souris. Une précédente étude[1] a montré que chez ces derniers, la régénération de bourgeons de membres antérieurs (les pattes avant) est possible au cours de la dixième journée après la fécondation. En revanche, on ignorait jusqu’ici combien de temps cette faculté persistait et quels mécanismes biologiques et cellulaires la rendaient possible.

Une nouvelle étude réalisée dans le cadre du programme de recherche Biothérapies et bioproduction de thérapies innovantes, financé par le plan d’investissement France 2030, piloté par l’Inserm et le CEA apporte aujourd’hui des réponses à ces questions. Publiés dans la revue PNAS, ces travaux ont été dirigés par une équipe de recherche de l’Inserm, de l’Université de Montpellier et du CHU de Montpellier.

« Notre découverte montre que les embryons de souris ne peuvent initier la régénération des bourgeons de membres antérieurs que durant un laps de temps extrêmement étroit du développement : entre 10,5 et 12,5 jours après la fécondation, au moment où les bourgeons commencent tout juste à se former, explique Farida Djouad, dernière autrice de cette étude. En dehors de cette période, cette capacité disparaît complètement. »

Concrètement, les scientifiques ont amputé le bourgeon de membre antérieur d’embryons de souris cultivés en laboratoire 10,5 jours après la fécondation, et ont observé que le bourgeon commençait à se régénérer au cours des 24 heures suivantes. En revanche, lorsque la même expérience était réalisée 12,5 jours après la fécondation, aucune régénération n’était constatée.

L’étude révèle que cette faculté repose sur une population spécifique de cellules appelées cellules issues de la crête neurale, connues pour jouer un rôle clé dans le développement du système nerveux, du squelette du visage et de nombreux tissus.

Au cours des trois heures suivant l’amputation, ces cellules migrent vers la zone lésée et participent à la formation d’un blastème, un amas de cellules immatures à l’origine de la repousse. « Lorsque ces cellules sont absentes, la régénération échoue. Mais si on les transplante à nouveau, cette faculté semble pouvoir être restaurée », souligne Farida Djouad.

Grâce à des puces à ADN permettant d’analyser l’activité de milliers de gènes simultanément, les scientifiques ont montré que les gènes bmp4 et fgf8, marqueurs spécifiques activés lors de la formation des membres dès le stade embryonnaire, étaient perdus après amputation mais réactivés lors de la régénération, soulignant leur rôle essentiel dans la restauration des structures amputées.

D’autres gènes, WNT1 et FOXD3, caractéristiques des cellules de la crête neurale et normalement actifs à un stade encore plus précoce chez l’embryon (entre le 8ᵉ et le 10ᵉ jour après la fécondation, au moment où les bourgeons de membres commencent à se former), étaient également réactivés. « Cette réactivation temporaire semble permettre aux cellules de retrouver un état plus jeune et plus flexible, capable de se mobiliser et de participer à la reconstruction des tissus », poursuit la dernière autrice.

De précédentes études avaient déjà mis en évidence le rôle des cellules issues de la crête neurale lors de la régénération de queues ou de membres chez les tritons[2], ainsi que dans la régénération de l’extrémité des doigts chez des embryons de souris[3].

« Nos résultats suggèrent que les cellules issues de la crête neurale sont au cœur des mécanismes de régénération chez tous les vertébrés, des amphibiens aux mammifères », explique Jholy De La Cruz, co-premier auteur de l’étude.

Ces résultats offrent un début d’explication à la perte de la faculté de régénération chez les souris adultes : les cellules issues de la crête neurale sont présentes, mais elles ne peuvent plus réactiver les gènes nécessaires à la régénération des tissus exprimés à l’état embryonnaire.

L’équipe de recherche souhaite maintenant savoir si ces mécanismes existent aussi chez l’humain.

« À terme, nous espérons que nos travaux contribueront à mieux comprendre la régénération des tissus, y compris chez les humains, et comment il pourrait un jour être possible de réactiver ces mécanismes à des fins thérapeutiques », conclut Farida Djouad.

 

[1]Chan WY, Lee KK, Tam PP. Regenerative capacity of forelimb buds after amputation in mouse embryos at the early-organogenesis stage. J Exp Zool. 1991 Oct;260(1):74-83. doi: 10.1002/jez.1402600110. PMID: 1791423.

[2] Kumar A, Godwin JW, Gates PB, Garza-Garcia AA, Brockes JP. Molecular basis for the nerve dependence of limb regeneration in an adult vertebrate. Science. 2007 Nov 2;318(5851):772-7. doi: 10.1126/science.1147710. PMID: 17975060; PMCID: PMC2696928.

[3] Johnston AP, Yuzwa SA, Carr MJ, Mahmud N, Storer MA, Krause MP, Jones K, Paul S, Kaplan DR, Miller FD. Dedifferentiated Schwann Cell Precursors Secreting Paracrine Factors Are Required for Regeneration of the Mammalian Digit Tip. Cell Stem Cell. 2016 Oct 6;19(4):433-448. doi: 10.1016/j.stem.2016.06.002. Epub 2016 Jul 1. PMID: 27376984.

Représentation d’un phage fixé sur une bactérie. © Adrien Bernheim

Avec l’essor des antibiotiques dans les années 1930, la phagothérapie (c’est à dire l’utilisation de virus appelés bactériophages dans la lutte contre les infections bactériennes) a été abandonnée. Aujourd’hui, la montée de l’antibiorésistance rend le traitement des infections bactériennes de plus en plus difficile et la phagothérapie suscite à nouveau l’intérêt des médecins et des chercheurs malgré sa complexité de mise en œuvre due à la très grande diversité et spécificité des bactériophages. C’est ainsi que des scientifiques de l’Institut Pasteur, de l’Inserm, de l’AP-HP et de l’Université Paris Cité ont développé un nouvel outil susceptible de choisir, de façon simple et efficace, le meilleur cocktail de bactériophages possible pour un patient donné. Pour cela, ils ont élaboré et entraîné un modèle à base d’intelligence artificielle capable de sélectionner sur mesure des bactériophages en se basant uniquement sur le génome des bactéries ciblées. Les résultats de ces travaux ont été publiés le 31 octobre 2024 dans la revue Nature Microbiology, et ouvrent la voie à des phagothérapies personnalisées pour combattre des infections bactériennes résistantes aux antibiotiques.

Certaines bactéries, comme Escherichia coli, se montrent de plus en plus résistantes aux antibiotiques classiques et deviennent ce que l’on appelle des « superbactéries ». Pour contourner ces résistances, qui représentent un problème de santé publique majeur, des équipes de recherche explorent la voie de la phagothérapie. Le principe : utiliser des virus, appelés phages ou bactériophages, qui n’infectent que des bactéries pour éliminer de façon ciblée celles pathogènes pour l’homme.

« La phagothérapie a été inventée par le chercheur pasteurien Félix d’Hérelle dans les années 1920 puis a été abandonnée avec l’essor des antibiotiques à la fin des années 1930, beaucoup plus simples et économiques à fabriquer et à utiliser. Aujourd’hui, seuls quelques pays de l’Europe de l’Est, comme la Géorgie, utilisent encore la phagothérapie, tandis que dans les pays occidentaux, des phages à « large spectre » sont utilisés ponctuellement de façon compassionnelle pour traiter des infections chroniques multirésistantes aux antibiotiques⁽¹⁾, quand plus aucun médicament autorisé n’est efficace, rappelle Baptiste Gaborieau, co-premier auteur de l’article, médecin réanimateur à l’Hôpital Louis Mourier (AP-HP) et chercheur dans le laboratoire IAME (Université Paris Cité-Inserm). Depuis une vingtaine d’années, grâce à sa promotion par l’OMS⁽²⁾ et plus récemment la mise en place d’essais cliniques notamment européens, la phagothérapie suscite à nouveau l’intérêt. »

L’un des défis est de savoir quel bactériophage sera efficace pour lutter contre une infection donnée, sachant que chaque phage ne peut infecter que certaines souches⁽³⁾ bactériennes. Dans le sol ou l’eau où les phages sont présents naturellement, ils circulent jusqu’à trouver la bonne cible. C’est ainsi que des scientifiques de l’Institut Pasteur, de l’Inserm, de l’AP-HP et de l’Université Paris-Cité, ont décidé d’étudier de plus près les interactions bactéries-phages afin de savoir s’il était possible de prédire l’efficacité d’un bactériophage sur une souche bactérienne donnée. La première étape a donc consisté en la création d’une base de données de qualité avec d’un côté 403 souches de bactéries Escherichia coli et de l’autre 96 bactériophages. Un travail qui aura nécessité plus de deux ans d’efforts.

« Nous avons mis en contact les phages avec les bactéries en culture et observé quelles bactéries étaient tuées. Nous avons étudié 350 000 interactions et réussi à identifier, au niveau du génome des bactéries, les caractéristiques susceptibles de prédire l’efficacité des phages, résume Aude Bernheim, principale autrice de l’étude et responsable du laboratoire Diversité moléculaire des microbes à l’Institut Pasteur.

« Contrairement à ce que l’on pensait initialement, ce sont les récepteurs à la surface des bactéries et non leurs mécanismes de défenses qui déterminent en premier lieu la capacité des bactériophages à pouvoir ou non infecter les bactéries, et qui présagent de leur efficacité », poursuit Florian Tesson, co-premier auteur de l’article et doctorant dans les laboratoires Diversité moléculaire des microbes à l’Institut Pasteur et IAME à l’Université Paris Cité-Inserm.

Grâce à cette analyse précise et complète des mécanismes d’interaction entre les bactéries et les phages, les bio-informaticiens de l’équipe ont pu concevoir un programme d’intelligence artificielle optimisé et efficace. Ce dernier se base sur l’analyse du génome des bactéries, et plus particulièrement sur l’analyse des régions impliquées dans le codage des récepteurs membranaires de la bactérie, porte d’entrée des phages.

« Nous ne sommes pas ici devant une «  boîte noire « , et c’est ce qui fait la force de notre modèle à base d’IA. Nous savons exactement comment il fonctionne, ce qui nous aide à améliorer ses performances », souligne Hugo Vaysset co-premier auteur de l’article et doctorant au laboratoire Diversité moléculaire des microbes à l’Institut Pasteur.

Après plus de deux ans de conception et d’entraînement, l’IA a ainsi été capable de prédire correctement l’efficacité des bactériophages face aux bactéries E. coli de la base de données dans 85 % des cas, simplement en analysant l’ADN des bactéries.

« C’est un résultat qui surpasse nos attentes », avoue Aude Bernheim.

Pour aller plus loin, les chercheurs ont testé leur modèle sur une nouvelle collection de souches bactériennes d’E. coli responsable de pneumonies et ont sélectionné, pour chacune d’entre elles, un « cocktail » sur mesure de trois bactériophages. Dans 90 % des cas, les bactériophages choisis sur mesure par l’IA ont réussi leur mission et détruit les bactéries en présence. Cette méthode, facilement utilisable dans les laboratoires de biologie hospitalière, ouvre la voie dans les années à venir à une sélection personnalisée et rapide de traitements par bactériophages en cas de diagnostic d’infection bactérienne à Escherichia coli très résistants aux antibiotiques.

« Nous devons encore tester le comportement des phages dans différents environnements, mais la preuve de concept est faite. Nous espérons pouvoir l’étendre à d’autres bactéries pathogènes, car notre IA a été conçue pour s’adapter facilement à d’autres cas de figure, et offrir dans le futur des traitements de phagothérapie personnalisés », conclut Aude Bernheim.

 

1. En France, les phages peuvent être utilisés dans le cadre d’une Autorisation temporaire d’utilisation (ATU) nominative
2. https://www.who.int/europe/fr/news/item/25-06-2024-building-evidence-for-the-use-of-bacteriophages-against-antimicrobial-resistance
3. Groupe de bactéries ayant des caractéristiques communes au sein d’une espèce donnée

Embryon humain au stade blastocyste prêt à s’implanter. L’enveloppe du noyau des cellules est visible en bleu et le cytosquelette d’actine en orange. © Julie Firmin et Jean-Léon Maître (Institut Curie, Université PSL, CNRS UMR3215, INSERM U934)

La compaction de l’embryon humain, étape indispensable à son développement dans ses premiers jours de formation, est impulsée par la contraction de ses cellules. C’est ce que viennent de découvrir des scientifiques du CNRS, de l’Institut Curie, de l’Inserm, de l’AP-HP et du Collège de France. Ces résultats, à paraitre dans Nature le 1^er mai 2024, contredisent le présupposé rôle moteur de l’adhésion des cellules embryonnaires dans ce phénomène et ouvrent la voie à une amélioration des techniques de fécondation in vitro.

Chez l’espèce humaine, la compaction des cellules embryonnaires est une étape cruciale au bon développement de l’embryon. Le quatrième jour après la fécondation, les cellules se rapprochent les unes des autres avant de donner à l’embryon sa première forme. Une compaction défaillante empêche la formation de la structure qui garantit son implantation dans l’utérus maternel. Cette étape est donc particulièrement surveillée avant toute implantation d’embryon en procréation médicalement assistée (PMA).

En s’intéressant aux mécanismes en jeu dans ce phénomène encore mal connu, une équipe de recherche interdisciplinaire¹ menée par des scientifiques du laboratoire Génétique et biologie du développement (CNRS/Inserm/Institut Curie) a fait une découverte surprenante : la compaction de l’embryon humain est impulsée par une contraction des cellules embryonnaires. Les difficultés de compaction ne seraient donc pas dues à un manque d’adhérence entre les cellules embryonnaires, contrairement à ce qui était supposé jusqu’alors, mais à des défauts de contractilité des cellules. Si ce mécanisme avait déjà été identifié chez la mouche, le poisson zèbre ou la souris, c’est une première chez l’espèce humaine.

En améliorant notre compréhension des premières étapes du développement embryonnaire humain, l’équipe de recherche espère contribuer au perfectionnement des techniques d’identification des embryons fécondés in vitro dans le cadre de PMA, alors que près d’un tiers des inséminations sont aujourd’hui infructueuses².

Ces résultats ont été obtenus en cartographiant les tensions à la surface de cellules embryonnaires humaines. Les scientifiques ont également testé les effets d’une inhibition de la contractilité ou de l’adhésion des cellules, et analysé la signature mécanique de cellules embryonnaires à la contractilité défaillante.

Embryon humain au stade 4 cellules. L’ADN des cellules est visible en rouge et leur cytosquelette d’actine en bleu. La cellule de droite vient de séparer son génome en deux et s’apprête à se diviser. © Julie Firmin et Jean-Léon Maître

1 Ont également participé à ces travaux des scientifiques du Centre interdisciplinaire de recherche en biologie (CNRS/Collège de France/Inserm), du Service de biologie de la reproduction – CECOS (AP-HP), de l’Institut Cochin (CNRS/Inserm/Université Paris Cité).

2 Source : Agence de la biomédecine

Microglies (en jaune, cellules immunitaires du cerveau), activées par la nature pro-inflammatoire d’un régime enrichi en huile de tournesol (microscopie à fluorescence). © Clara Sanchez/Inserm

L’obésité est un problème de santé publique majeur, qui touche près de 650 millions d’adultes dans le monde[1]. Cette maladie est souvent associée à une inflammation systémique et cérébrale ainsi qu’à des troubles de l’anxiété ou cognitifs, comme par exemple des déficits de mémoire. Dans une nouvelle étude, des chercheuses et des chercheurs de l’Inserm, du CNRS et d’Université Côte d’Azur, au sein de l’Institut de pharmacologie moléculaire et cellulaire, ont essayé de comprendre plus précisément la manière dont l’alimentation pouvait entraîner l’obésité, ainsi que les comorbidités qui lui sont associées. Ils se sont intéressés plus spécifiquement aux acides gras oméga 6 (ω6) et oméga 3 (ω3), explorant les effets sur la santé de divers régimes alimentaires avec des ratios d’acides gras variables (voir encadré ci-dessous). Leurs résultats indiquent un qu’un régime enrichi en ω6 (dans ce cas précis, en huile de tournesol) est fortement associé à des altérations du métabolisme, de l’inflammation et des fonctions cognitives, tandis qu’un régime enrichi en ω3 (ici, en huile de colza) présente certains effets préventifs. Ces travaux permettent d’envisager des interventions diététiques se fondant sur un faible rapport ω6/ω3 (en préférant donc plutôt l’huile de colza à l’huile de tournesol) pour lutter contre l’obésité et les troubles neurologiques qui lui sont associés. Ils sont publiés dans Brain Behavior and Immunity.

Selon l’OMS, depuis 1975, le nombre de cas d’obésité a presque triplé à l’échelle planétaire. La pathologie est associée à de nombreuses comorbidités (diabète de type 2, maladies cardiovasculaires, arthrose, cancers et troubles cognitifs) et à une mortalité élevée. Ses causes sont complexes et impliquent l’interaction de plusieurs facteurs. Une alimentation non équilibrée est néanmoins reconnue comme le facteur contributif majeur de la maladie.

Par ailleurs, de précédentes études[2] ont montré que l’obésité était associée non seulement à un dysfonctionnement métabolique, mais aussi à une inflammation chronique au niveau des organes périphériques (les tissus adipeux, le foie, les muscles squelettiques et le pancréas), ainsi qu’au niveau du système nerveux central (on parle alors de neuro-inflammation). Cette neuro-inflammation dans l’obésité se caractérise par l’augmentation de marqueurs pro-inflammatoires au niveau de la région de l’hypothalamus, région du cerveau connue pour contrôler le comportement alimentaire[3]. Cependant, la nature des lipides nutritionnels qui pourraient être responsables de cette neuro-inflammation n’a pas encore été élucidée.

Dans une nouvelle étude, des chercheuses et des chercheurs de l’Inserm, du CNRS et d’Université Côte d’Azur se sont spécifiquement intéressés à certains acides gras essentiels au bon fonctionnement de notre organisme, et connus pour avoir des propriétés anti- et pro-inflammatoires : les omégas 3 et 6 (voir encadré ci-dessous). Leur objectif : mieux comprendre si dans le cadre d’un régime riche en lipides (dit « régime obésogène ») ces omégas 3 et 6 sont impliqués dans le phénomène de neuro-inflammation, et s’ils peuvent être associés au développement de l’obésité.

Leurs travaux partent par ailleurs du constat d’une tendance toujours plus forte dans les pays développés à une consommation excessive d’omégas 6, dont les propriétés inflammatoires sont bien documentées dans la littérature scientifique[4].

Les scientifiques ont évalué, dans des modèles animaux, les effets sur la santé de trois régimes alimentaires obésogènes – riches en lipides – présentant chacun un ratio d’acides gras variable.

Pour composer ces régimes spécifiques, les chercheurs ont utilisé des huiles végétales disponibles dans le commerce, à savoir de l’huile de colza (riche en oméga 3) et de l’huile de tournesol (riche en oméga 6). L’un contenait un ratio d’acides gras oméga 6/oméga 3 élevé, c’est-à-dire, très enrichi en omégas 6 et donc en huile de tournesol. Le second présentait un ratio intermédiaire, équilibré en omégas 3 et en omégas 6 ; le dernier était très enrichi en omégas 3, et donc en huile de colza.

Ils ont pu mesurer grâce à divers examens les effets variables de ces régimes sur la prise de poids et le stockage de graisse, la réponse au niveau de l’homéostasie glucidique[5], le développement de l’anxiété et troubles cognitifs, ainsi que l’inflammation du cerveau.

Au terme de l’expérience qui a duré jusqu’à 5 mois, les scientifiques ont ainsi pu observer (résultats résumés dans le schéma ci-dessous) :

• une altération du métabolisme, de la neuro-inflammation et des fonctions cognitives, notamment une augmentation de l’anxiété et des troubles de la mémoire spatiale chez les souris obèses soumises au régime enrichi en omégas 6, et donc en huile de tournesol ;
• un effet protecteur du régime enrichi en omégas 3, riche en huile de colza, sur la prise de poids, la régulation de l’homéostasie glucidique et le développement de troubles cognitifs.

« Alors qu’on attribuait jusqu’alors à l’obésité l’augmentation de l’état inflammatoire, dans cette étude nous montrons que l’état inflammatoire dépend du type de régime auquel est exposé l’animal. Autrement dit, c’est le fait d’être nourri avec un régime riche en omégas 6 qui est responsable des phénomènes inflammatoires observés et non l’obésité elle-même », explique Clara Sanchez, chercheuse post-doctorante à l’Inserm, première autrice de l’article.

« Cette étude montre aussi pour la première fois l’effet protecteur contre l’obésité et les phénomènes inflammatoires associés que peut présenter un régime enrichi en lipides, à condition de favoriser la consommation d’omégas 3. Ces travaux permettent d’envisager des interventions diététiques se fondant sur un faible rapport ω6/ω3 pour lutter contre l’obésité et les troubles neurologiques qui lui sont associés », explique Carole Rovère, chercheuse Inserm dernière autrice de l’article.

Dans leur découverte, les scientifiques ont par ailleurs observé chez ces souris, une modification de la forme de certaines cellules du cerveau situées dans l’hypothalamus, les microglies, qui semblent s’activer en réponse à un régime riche en omégas 6. Leurs travaux consisteront désormais à mieux comprendre le rôle spécifique de ces cellules dans l’obésité.

[1]OMS, 2016

[2]Gregor et Hotamisligil, 2011 ; Thaler et al., 2012

[3] Baufeld et al., 2016 ; Cansell et al., 2021 ; De Souza et al., 2005 ; Le Thuc et Rovère, 2016 ; Salvi et al., 2022

[4] L’OMS préconise de consommer cinq omégas 6 pour un oméga 3. Alors qu’au sein des sociétés occidentales, ce rapport explose – il serait 3 fois supérieur aux recommandations actuelles d’omégas 6.

[5]L’homéostasie glucidique est un état d’équilibre entre les apports (absorption intestinale suite à un repas ou production de glucose par le foie) et l’utilisation de glucose (entrée de glucose et utilisation dans les organes).