Modélisation du potentiel de la maladie rénale avec une carte omique organoïde intégrée

Modélisation du potentiel de la maladie rénale avec une carte omique organoïde intégrée

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Les organoïdes rénaux constituent une plate-forme prometteuse in vitro pour modéliser les mécanismes de la maladie rénale. Cependant, ils sont limités par un manque de connaissances sur l’expression de leurs protéines fonctionnelles inhérentes. Dans un nouveau rapport en Communications naturelles, Martiz Lassé et une équipe de scientifiques en médecine et en santé rénale, au Danemark, en Allemagne et aux États-Unis, ont défini le protéome organoïde et ses trajectoires transcriptomiques pendant la culture et lors de l’exposition au facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα) ; un facteur de stress cytokine.

Alors que les organoïdes plus âgés déposaient de plus en plus une matrice extracellulaire et exprimaient une diminution des protéines glomérulaires, l’équipe s’est concentrée sur les expressions hautement agrégées de l’expression des protéines associées au TNFα dans les populations de cellules rénales tubulaires et organoïdes humaines afin de souligner la portée des modèles pour faire progresser le développement de biomarqueurs pertinents. Les résultats fournissent des preuves cruciales de la pertinence fonctionnelle du modèle organoïde rénal pour recréer une maladie rénale humaine en laboratoire.

Le système de modèle organoïde

Les organoïdes forment un système modèle in vitro intégral pour explorer le développement de la maladie. Les organoïdes rénaux ont modélisé le cancer du rein, les maladies glomérulaires et la maladie polykystique des reins. Ces plates-formes offrent également un outil de dépistage prometteur pour les produits thérapeutiques, permettant de modéliser l’infection virale et la cryoconservation d’organes en combinaison avec la microfluidique d’organes sur puce.

Le concept peut améliorer la compréhension des maladies rénales génétiques, interroger le développement rénal et les mécanismes moléculaires sous-jacents aux pathologies. Des organoïdes rénaux peuvent être générés à partir de cellules souches pluripotentes humaines pour récapituler les éléments de pathologie qui font défaut dans les modèles de culture tissulaire bidimensionnels et dans les modèles animaux.

Modélisation du potentiel de la maladie rénale avec une carte omique organoïde intégrée

Au cours des expériences, Lassé et ses collègues ont d’abord décrit l’évolution du protéome et du transcriptome organoïdes en fonction de la durée de la culture cellulaire, afin d’identifier les types de cellules organoïdes dont l’expression des protéines change. L’équipe a comparé l’expression de protéines spécifiques aux podocytes dans les organoïdes avec l’expression de glomérules natifs et de cellules podocytes cultivées.

L’équipe a analysé la réaction des organoïdes au TNFα afin de fournir des biomarqueurs pertinents pour des diagnostics de précision. La caractérisation des organoïdes rénaux a permis l’expansion de la plateforme pour la découverte de médicaments, tout en évaluant la biologie cellulaire sous-jacente à la maladie rénale pour découvrir des thérapies potentielles. Les résultats fournissent une ressource riche à la communauté de recherche pour promouvoir la modélisation des maladies rénales, la découverte de biomarqueurs et le dépistage thérapeutique.

La durée de la culture cellulaire et l’évolution des niveaux d’expression des protéines organoïdes rénales

Après trois semaines de culture d’organoïdes rénaux, Lassé et ses collègues ont réalisé un profilage protéomique et transcriptionnel. Les scientifiques ont identifié et quantifié 5 403 protéines à l’aide de l’analyse en composantes principales. Les résultats ont mis en évidence des marqueurs/indicateurs podocytaires clés de la différenciation glomérulaire, tels que la néphrine et la synaptopodine, qui diminuent avec le temps, pour mettre en évidence une perte de podocytes ou de populations cellulaires avec le temps.

Ils ont observé l’expression accrue de protéines structurelles telles que l’actine des muscles lisses et les protéines clés de différenciation régulatrice du récepteur alpha du facteur de croissance dérivé des plaquettes, pour mettre en évidence une production accrue de la matrice extracellulaire. Les scientifiques ont validé ces observations par immunofluorescence. Ils ont également noté une expression plus élevée de la chaîne alpha du collagène de type I et de la fibronectine de type 1 pour confirmer les schémas de production accrue de protéines de la matrice extracellulaire avec une durée de culture cellulaire accrue.

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Les expériences

Les scientifiques ont exploré l’intégration organoïde protéome-transcriptome pour découvrir les origines cellulaires des protéines. Les résultats suggèrent que les changements protéomiques les plus importants se produisent dans la population de cellules stromales, tandis que les premières cellules épithéliales des glomérules et les podocytes en maturation étaient moins représentés avec une durée de culture plus longue, en accord avec la diminution de l’analyse de l’expression des protéines spécifiques aux cellules également. Les scientifiques ont comparé l’organisation du protéome organoïde avec le tissu rénal humain mature, qui présentait des similitudes avec les reins humains natifs pour indiquer comment ces organoïdes rénaux représentaient fidèlement la plupart des protéines clés des reins natifs.

Le rôle du TNFα dans la culture organoïde

L’équipe a montré la réponse des organoïdes au TNFα en surveillant l’expression de protéines proinflammatoires. Notamment, les organoïdes rénaux traités au TNFα exprimaient des transcrits clés, notamment le ligand de chimiokine 2, la protéine chimioattractante 1 et l’inhibiteur tissulaire des métalloprotéinases. Lassé et ses collègues ont reproduit l’expression génique induite par le TNFα pour montrer une réponse biologique complexe des organoïdes traités, par rapport au modèle de podocytes humains. L’équipe a démontré des altérations du protéome dans les organoïdes induits par le TNFα et révélé des mécanismes pathologiques spécifiques aux cellules rénales.

Les protéines TNF-dépendantes ont également montré une expression plus élevée au niveau génétique dans divers tissus rénaux malades, par rapport aux tissus de donneurs vivants. Alors qu’au niveau cellulaire, la signature organoïde du TNF se concentrait sur l’activité des gènes, la signature tissulaire comparative du TNF était plus complexe. À l’aide de réseaux basés sur la littérature, les scientifiques ont exploré l’interaction unifiée des réseaux pour identifier des sous-groupes d’individus dans des cohortes de maladies présentant divers mécanismes pathologiques bénéficiant d’une variété de thérapies ciblées.

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Perspectives

De cette manière, Martiz Lassé et ses collègues ont montré comment les organoïdes rénaux générés à partir de cellules souches pluripotentes humaines pouvaient grandement faire progresser la compréhension du développement et des maladies rénales. Pour mettre en œuvre avec succès ce concept en tant que système modèle, les scientifiques ont dû comprendre les structures complexes et leur pertinence pour les maladies rénales humaines. Le dispositif expérimental a en outre fourni des informations sur la pathobiologie de la maladie rénale associée au TNFα.

Les résultats de l’étude soutiennent l’utilisation d’organoïdes pour modéliser des maladies rénales humaines complexes. En intégrant les données omiques dérivées de modèles de maladies organoïdes et d’autres modèles précliniques, l’équipe peut générer de meilleurs résultats rénaux pour les patients. Les organoïdes peuvent également capturer des éléments critiques des réponses complexes et hétérogènes du spectre des maladies rénales humaines.

La carte omique a mis en évidence la capacité de déclencher une inflammation et une fibrose dans les organoïdes, même en l’absence de cellules immunitaires, ouvrant la porte à la modélisation de maladies plus complexes avec la capacité de personnaliser la modélisation des maladies ainsi que le dépistage thérapeutique.

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