En recréant une voie nerveuse en laboratoire, des chercheurs pourraient accélerer le traitement de la douleur

Des chercheurs de Stanford Medicine ont reproduit, en laboratoire, l’une des voies nerveuses les plus importantes chez l’homme pour la perception de la douleur. Ce circuit nerveux transmet les sensations de la peau au cerveau. Une fois traités dans le cerveau, ces signaux se traduisent par une expérience subjective, notamment la sensation désagréable de la douleur. Cette avancée promet d’accélérer les progrès qui ont été lents dans la compréhension du traitement des signaux de la douleur chez l’homme et de la meilleure façon de soulager la douleur.

Dans une étude publiée le 9 avril dans Nature, des scientifiques dirigés par le docteur Sergiu Pasca, professeur II de psychiatrie et de sciences comportementales Kenneth T. Norris Jr, décrivent l’assemblage réussi de quatre parties miniaturisées du système nerveux humain pour reconstituer ce que l’on appelle la voie sensorielle ascendante.

La sensation périphérique de douleur est transmise au cerveau par un relais impliquant des cellules nerveuses, ou neurones, centrées dans quatre régions différentes de la voie sensorielle ascendante : le ganglion de la racine dorsale, la moelle épinière dorsale, le thalamus et le cortex somatosensoriel. « Nous pouvons désormais modéliser cette voie de manière non invasive », a déclaré M. Pasca, auteur principal de l’étude. « Nous espérons que cela nous aidera à apprendre comment mieux traiter les troubles de la douleur.

Les principaux coauteurs de l’étude sont les chercheurs postdoctoraux Ji-il Kim, PhD, et Kent Imaizumi, MD, PhD.

La douleur humaine s’est souvent avérée difficile à étudier chez les animaux de laboratoire, a déclaré Pasca, qui est également le directeur du programme d’organogenèse cérébrale de Stanford, dirigé par Bonnie Uytengsu et sa famille. « Leurs voies de la douleur sont à certains égards différentes des nôtres », a-t-il déclaré. « Pourtant, ces animaux ressentent la douleur. Ce n’est pas le cas de notre construction en boîte.

Jusqu’à présent, personne n’avait pu observer la transmission d’informations par l’ensemble de cette voie. Mais Pasca et ses collègues ont observé des vagues d’activité électrique inédites se propager du premier composant de leur construction jusqu’au dernier, et ils ont pu améliorer ou perturber ces modèles ondulatoires en modifiant des gènes ou en stimulant chimiquement des éléments du circuit.

De meilleurs médicaments sont nécessaires

« La douleur est un énorme problème de santé », déclare Vivianne Tawfik, MD, PhD, professeur agrégé d’anesthésiologie, de médecine périopératoire et de médecine de la douleur, qui n’a pas participé à l’étude. « Quelque 116 millions d’Américains, soit plus d’une personne sur trois aux États-Unis, souffrent d’une forme ou d’une autre de douleur chronique. Cette douleur persiste souvent même lorsque les dommages observables ne sont plus évidents, probablement en raison de changements durables dans la voie sensorielle ascendante.

Pourtant, les traitements de la douleur chronique sont peu nombreux et loin d’être idéaux : « Je ne peux même pas vous dire à quel point il est triste de se retrouver face à un patient qui souffre de douleurs chroniques alors que nous avons tout essayé et qu’il n’y a plus rien dans notre arsenal.

La plupart des « médicaments contre la douleur » ne sont pas homologués pour la douleur en tant que telle, mais empruntés aux armoires à pharmacie des psychiatres ou des spécialistes des troubles du sommeil. Les analgésiques les plus efficaces sont les opioïdes, qui présentent le grave inconvénient d’entraîner une accoutumance, ce qui expose les personnes souffrant de douleurs chroniques à la dépendance.

Construire la voie sensorielle pièce par pièce

Vivianne Tawfik a déclaré qu’elle pensait que la nouvelle construction de l’équipe était très pertinente pour l’étude de la douleur chronique. « La voie qu’ils ont reconstruite est la plus importante pour la transmission des informations liées à la douleur », a-t-elle déclaré.

Les régions qui composent la voie sensorielle ascendante sont reliées par trois ensembles de connexions neuronales : Le premier ensemble relaie les informations sensorielles de la peau à la moelle épinière par l’intermédiaire du ganglion de la racine dorsale ; un deuxième ensemble de neurones transmet les signaux de la moelle épinière à une structure cérébrale appelée thalamus ; et le troisième relaie ces informations du thalamus au cortex somatosensoriel pour un traitement plus approfondi du signal provenant de la périphérie.

Pasca a été le premier à créer ce qu’il appelle des organoïdes neuronaux régionalisés, cultivés dans une boîte de laboratoire à partir de cellules souches et représentant diverses régions distinctes du cerveau.

Ces dernières années, Pasca a poussé cette technologie plus loin, en associant des organoïdes d’un type à des organoïdes d’un autre type dans une boîte afin qu’ils fusionnent pour former ce qu’il a appelé des assembloïdes. Les neurones d’un organoïde, par croissance ou migration, peuvent pénétrer dans l’autre organoïde pour former des circuits fonctionnellement similaires, voire identiques, à ceux qu’ils sont censés imiter.

« Nous avons découvert qu’il n’est pas nécessaire de connaître les détails de l’assemblage de ces circuits tant que nous fabriquons les pièces et que nous les assemblons correctement », explique M. Pasca. « Une fois les organoïdes assemblés, les cellules se trouvent les unes les autres et se connectent de manière significative, donnant naissance à de nouvelles caractéristiques.

Dans cette nouvelle étude, Pasca et ses collègues ont développé des organoïdes humains récapitulant les quatre régions clés de la voie sensorielle ascendante, puis les ont fusionnés en série pour former un assembloïde imitant la voie sensorielle. À partir de cellules provenant d’échantillons de peau de volontaires, l’équipe les a d’abord transformées en cellules souches pluripotentes induites, qui sont essentiellement des cellules dédifférenciées pouvant être guidées pour devenir pratiquement n’importe quel type de cellule dans le corps humain. Les chercheurs ont utilisé des signaux chimiques pour inciter ces cellules à s’agréger en minuscules boules, appelées organoïdes neuronaux, représentant chacune des quatre régions de la voie.

Chaque organoïde mesurait un peu moins d’un centimètre de diamètre et contenait près d’un million de cellules. Pasca et ses collègues ont aligné les organoïdes de ces quatre types différents côte à côte et ont attendu. Une centaine de jours plus tard, ils avaient fusionné en un assembloïde de près de 2/5 de pouce de long – « Ils ressemblent à de minuscules saucisses », a déclaré Pasca – et composé de près de 4 millions de cellules. Cela représente moins de 1/42 000e du nombre de cellules que l’on trouve dans un cerveau humain adulte, qui en contient environ 170 milliards, précise Pasca. Mais la construction a permis de récapituler les circuits impliqués dans la voie.

Les chercheurs ont montré que les organoïdes constitutifs des assembloïdes étaient anatomiquement connectés : Les neurones du premier ont formé des connexions fonctionnelles avec les neurones du deuxième, le deuxième avec le troisième et ainsi de suite.

De plus, l’ensemble du circuit, de l’organoïde sensoriel à l’organoïde cortical, fonctionnait comme une unité. Une fois que les quatre organoïdes ont été placés les uns à côté des autres dans le flacon pendant environ 100 jours, des modèles de signalisation spontanée, synchronisée et directionnelle au sein de l’assembloïde ont commencé à émerger : L’activité neuronale dans l’organoïde sensoriel a déclenché une action similaire dans l’organoïde spinal, puis dans l’organoïde thalamique et enfin dans l’organoïde cortical.

« Vous n’auriez jamais pu voir cette synchronisation ondulatoire si vous n’aviez pas pu observer les quatre organoïdes connectés simultanément », a déclaré M. Pasca. « Le cerveau est plus que la somme de ses parties. »

Piments et canaux sodiques

Des substances chimiques connues pour induire la douleur ont augmenté l’activité ondulatoire dans les astéroïdes. La stimulation de l’organoïde sensoriel avec de la capsaïcine – l’ingrédient des piments qui produit une sensation de brûlure dans la bouche – a déclenché des vagues immédiates d’activité neuronale.

De rares mutations génétiques dans une protéine échangeuse d’ions présente à la surface des neurones sensoriels périphériques peuvent entraîner une hypersensibilité débilitante à la douleur ou, à l’inverse, une incapacité à ressentir la douleur qui met la vie en danger, augmentant radicalement les dangers physiques, habituels ou non, que la vie nous réserve.

La protéine en question, Nav1.7, est un type particulier de canal sodique qui, selon les chercheurs, abonde dans les neurones sensoriels périphériques mais est rare ailleurs. Les scientifiques ont fabriqué un assembloïde dont la version normale de Nav1.7 du composant sensoriel initial a été remplacée par la version mutante de l’hypersensibilité à la douleur. Les assemblages sensoriels mutants ainsi obtenus présentaient des vagues plus fréquentes de transmission nerveuse spontanée depuis l’organoïde sensoriel jusqu’à l’organoïde du cortex cérébral, en passant par l’organoïde spinal et l’organoïde thalamique.

Lorsque l’équipe de Pasca a rendu le même canal sodique non fonctionnel dans l’organoïde sensoriel, elle a eu une surprise : La mise à feu de cet organoïde en réponse à une substance chimique induisant la douleur s’est poursuivie, mais la transmission synchronisée de l’information sur la douleur, sous forme de vagues, à travers le circuit a mystérieusement disparu. Les tirs étaient désormais désynchronisés. « Les neurones sensoriels continuaient à fonctionner », explique Pasca. « Mais ils n’ont pas réussi à mobiliser le reste du réseau de manière coordonnée.

Il est important de noter que ces assemblages ne contenaient pas d’organoïdes représentant d’autres régions du cerveau qui sont essentielles à l’inconfort ressenti par les personnes souffrant de douleur. « Les assembloïdes eux-mêmes ne ressentent pas la douleur », explique Pasca. « Ils transmettent des signaux nerveux qui doivent être traités par d’autres centres de notre cerveau pour que nous puissions ressentir la sensation désagréable et aversive de la douleur.

Les assembloïdes, après seulement quelques mois d’assemblage, représentent une phase précoce du développement du fœtus, a déclaré M. Pasca. Leur utilisation immédiate serait l’étude des troubles du développement neurologique tels que l’autisme. Les autistes sont souvent hypersensibles à la douleur et aux stimulations sensorielles en général, et certains gènes associés à l’autisme sont actifs dans les neurones sensoriels de la voie sensorielle ascendante.

Pasca a déclaré que son laboratoire travaillait sur les moyens d’accélérer le développement des assemblages afin de mieux comprendre comment la voie qu’ils représentent fonctionne – ou ne fonctionne pas – chez les adultes.

« Nav1.7 semble exister principalement à la surface des neurones périphériques sensibles à la douleur », a déclaré M. Pasca. « Nous pensons que la recherche de médicaments permettant d’apprivoiser la capacité des organoïdes sensoriels à déclencher des vagues excessives ou inappropriées de transmission neuronale par l’intermédiaire de notre assembloïde, sans affecter le circuit de récompense du cerveau comme le font les médicaments opioïdes – ce qui explique pourquoi ils créent une dépendance – pourrait déboucher sur des thérapies mieux ciblées contre la douleur. »

Le bureau des licences technologiques de l’université de Stanford a déposé un brevet pour la propriété intellectuelle associée à cet assembleloïde, Pasca, Kim et Imaizumi étant désignés comme co-inventeurs.

Auteur : Bruce Goldman