Soutenance mémoire
Informations sur les cellules et leur développement in vitro
Le neurone, vue d’ensemble
Le neurone, rôle et morphologie
Depuis le début du XXe siècle (1906) et les travaux du chercheur espagnol Santiago Ramon y Cajal, on sait que la pièce maîtresse du système nerveux central est le neurone. Cette cellule spécialisée est apparue très tôt au cours de l’évolution : on en trouve chez les vers, les insectes ou les mollusques. Le cerveau humain en comporterait environ cent milliards. Les neurones organisés en réseaux forment le socle des fonctions motrices, perceptives, émotives ou cognitives. Ces réseaux sont caractérisés par une grande plasticité, ils évoluent constamment. Les connexions entre neurones peuvent se renforcer ou disparaître, et de nouvelles connexions peuvent être créées. Ce phénomène de plasticité permet notamment l’apprentissage et est à l’origine de la mémoire. Tout en ayant des spécificités moléculaires, morphologiques et fonctionnelles, les différents types de cellules nerveuses ont une structure de base semblable à celle des autres cellules. Ce sont des cellules eucaryotes. Elles comportent un corps cellulaire contenant un noyau, un réticulum endoplasmique, un appareil de golgi, des mitochondries ainsi que les autres organites nécessaires au fonctionnement d’une cellule.
La spécificité des cellules nerveuses vient de leur spécialisation pour la communication intercellulaire. Cette propriété se manifeste dans :
– leur morphologie générale (présence de dendrites et d’un axone)
– la spécialisation de leur membrane pour la signalisation électrique
– la complexité de leurs contacts synaptiques.
Leur particularité morphologique générale tient aux expansions cellulaires, appelées arborisations dendritiques (ou arborisations neuritiques dans le cas de neurones en développement). Il existe deux types de prolongements, les dendrites et l’axone, qui accomplissent des rôles biologiques différents . Lorsque le développement des neurones n’est pas terminé, on ne peut pas distinguer l’axone des dendrites et on parle alors de « neurites » et d’arborescence neuritique pour désigner l’ensemble de ces prolongements. Autour des corps cellulaires (aussi appelés « somas »), ces prolongements plus ou moins longs s’étendent, leur permettant de se connecter à d’autres neurones.
Les dendrites et le corps cellulaire sont les récepteurs du neurone, ils reçoivent et intègrent des signaux provenant d’autres neurones du réseau. L’axone constitue le pôle émetteur, il transmet le signal depuis son origine sur le corps cellulaire vers les neurones suivants. Le mécanisme par lequel l’axone transmet un signal est le potentiel d’action. Il s’agit d’un signal qui se propage depuis son lieu d’origine, le segment initial de l’axone (ou cône axonique) au niveau du corps cellulaire, jusqu’à l’extrémité de l’axone. Au bout de l’axone, un groupe de contacts synaptiques s’établit avec d’autres cellules. La communication entre neurones s’effectue via des synapses, jonctions cellulaires où le signal est transmis le plus souvent par voie chimique.
La gamme des configurations de l’arborisation neuritique va d’une petite minorité de cellules complètement dépourvue de dendrites jusqu’à des neurones dont l’arborisation neuritique est très développée. Ainsi, la géométrie de l’axone et des dendrites diffère selon le type de neurones. Il existe par exemple des neurones multipolaires qui ont un long axone et plusieurs dendrites, des cellules bipolaires, qui ont un axone et un dendrite ou encore des cellules « en T », ou cellules « pseudo-unipolaires » qui ont un unique prolongement qui se divise en deux.
Le nombre d’afférences que reçoit un neurone donné dépend de la complexité de son arborisation dendritique. Les cellules nerveuses qui n’ont pas de dendrites ne sont innervées que par un petit nombre d’autres neurones, voire par un seul. En revanche, celles dont l’arborisation dendritique est plus élaborée reçoivent une innervation d’un grand nombre de neurones.
Les autres types cellulaires du système nerveux
Les études histologiques effectuées au 19ème siècle par Cajal, Golgi, et leurs successeurs ont montré que le système nerveux n’est pas seulement composé de neurones, mais également d’une variété d’autres cellules, dites « cellules de soutien ». Contrairement aux neurones, ces dernières sont incapables d’émettre des signaux électriques. Dans le système nerveux central, elles sont essentiellement des cellules de la névroglie, aussi appelées cellules gliales. Leurs fonctions de soutien contribuent à maintenir les neurones en l’état d’émettre des signaux. En particulier, elles participent au maintien de l’environnement ionique des neurones, à la modulation de fréquence de propagation des signaux nerveux, à la modulation de l’action synaptique [1]. Ces cellules servent d’échafaudage dans certains cas du développement neural [2].
Dans le système nerveux central adulte, il y a trois types de cellules gliales qui sont:
– les astrocytes : ils maintiennent un environnement chimique adéquat pour la production de signaux nerveux [3].
– les oligodendrocytes : ils déposent autour de certains axones une gaine de myéline. Il s’agit d’une enveloppe riche en lipides, ayant des effets importants sur la vitesse de conduction du potentiel d’action.
– les cellules de la microglie : elles jouent essentiellement le rôle d’éboueurs en enlevant les résidus cellulaires lors d’une lésion ou du remplacement cellulaire.
Le cas particulier des cellules souches neurales adultes
Les neurones matures et différenciés ne peuvent pas se diviser. Cela ne signifie pas pour autant que tous les neurones qui forment le cerveau adulte ont été produits au cours du développement embryonnaire. En effet, dans les années 1980, Fernando Nottebohm et al. mirent en évidence la production de nouveaux neurones dans le cerveau de canaris adultes [4], [5]. Ces cellules nouvellement formées émettent des axones et des dendrites et s’intègrent dans des circuits synaptiques fonctionnels. Ce phénomène a depuis été observé dans le cerveau adulte de souris, de rats, de primates et de l’homme. Il s’agit toutefois d’un phénomène peu fréquent. Comment le cerveau peut-il, à l’âge adulte, produire de nouveaux neurones si les neurones qu’il contient ne peuvent pas se diviser ? La réponse a été apportée par la découverte de cellules souches neurales dans la zone sous ventriculaire, qui produit les neurones durant le développement du cerveau. Au début des années 1990, l’isolement et la mise au point de cultures spécifiques de cellules souches neurales, notamment par la formation d’agrégats cellulaires en suspension (aussi appelés « neurosphères ») ont représenté une étape importante [6]. Ces cultures ont permis de démontrer que ces cellules possédaient les propriétés intrinsèques des cellules souches, à savoir : la capacité de conserver leur caractère immature au cours des divisions (autorenouvellement) et de générer plusieurs types de cellules (multipotence).
La différenciation de ces cellules souches peut ainsi donner, en fonction des signaux auxquels on les expose, des neurones ou des cellules gliales (astrocytes ou oligodendrocytes) .
Les cellules souches du cerveau sont situées dans des niches, des régions qui rassemblent des conditions très particulières pour leur maintien en vie. Ces niches ont une organisation très complexe qui permet aux cellules souches d’interagir avec d’autres types de cellules, vasculaires, par exemple et de recevoir des signaux moléculaires précis tels que des facteurs de croissance, des morphogènes ou encore des facteurs d’adhésion maintenant les cellules dans un état d’immaturité et contrôlant leur entrée en différenciation. Les trois principales niches sont la zone sous-ventriculaire, la région du gyrus denté dans l’hippocampe et le canal central de la moelle épinière [8]. En dehors des niches, il existe un ensemble de cellules dites progénitrices neurales. Contrairement aux cellules souches, celles-ci ont une capacité de prolifération limitée et peuvent seulement se différencier en un nombre de types cellulaires restreint [9].
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PREAMBULE GENERAL
PARTIE 1: ETUDE DES INTERACTIONS ENTRE DES CELLULES NEURONALES ET DES SURFACES INGENIEREES AUX ECHELLES MICRO ET NANOMETRIQUES
Introduction
CHAPITRE 1 – CONCEPTS FONDAMENTAUX SUR L’INTERACTION ENTRE UNE CELLULE ET UNE SURFACE : CAS DU NEURONE
1. Informations sur les cellules et leur développement in vitro
2. La croissance du neurone sur une surface ingénierée
3. Positionnement des travaux de thèse
CHAPITRE 2 – INTERACTIONS ENTRE DES CELLULES NEURONALES ET DES SURFACES INGENIEREES A L’ECHELLE MICROMETRIQUE
1. Matériel et méthodes
2. Résultats
3. Discussion de l’influence de la géométrie des microsillons sur le comportement de trois types de cellules neuronales
4. Exploitation des effets d’alignement des neurites dans une perspective d’ingénierie cellulaire
5. Conclusion
CHAPITRE 3 – INTERACTIONS ENTRE DES CELLULES NEURONALES ET DES NANOTUBES DE CARBONE
1. Pourquoi s’intéresser aux interactions entre les cellules neuronales et les nanotubes de carbone ?
2. Résultats de surfaces comportant des NTCs générées pour la culture cellulaire
3. Effet des NTCs sur la culture de cellules neuronales
4. Elucidation du rôle des NTCs sur la culture cellulaire
5. Vers de nouveaux procédés de culture cellulaire sur des couches de NTCs ?
6. Conclusion
CONCLUSION PARTIE 1
PARTIE 2 : TRANSFERT DES ETUDES IN VITRO VERS UNE APPLICATION MEDICALE : REALISATION D’UNE BIOPROTHESE INGENIEREE POUR LA REGENERATION DE RESEAUX NEURONAUX
CHAPITRE 1 – INTRODUCTION ET POSITION DE L’ETUDE
1. Pourra-t-on réparer le cerveau en cas de lésion ?
2. Les bio-échafaudages pour la reconstruction dans le système nerveux central
3. Conclusion
CHAPITRE 2 – FABRICATION D’UNE BIOPROTHÈSE CÉRÉBRALE
1. Fabrication d’une bioprothèse de première génération
2. Fabrication d’une bioprothèse de deuxième génération
3. Conclusion
CHAPITRE 3 – PREMIERS ESSAIS IN VIVO
1. Introduction
2. Modèle animal
3. Modèle lésionnel
4. Implantation des bioprothèses et premiers résultats de récupération fonctionnelle
5. Analyse des résultats
6. Perspectives
CONCLUSION PARTIE 2
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
