Et l’Humain ?

Par Patrick Pla, Université Paris-Saclay

*Dessins de fœtus humains par Léonard de Vinci (vers 1510)

Pour des raisons évidentes d’éthique, l’étude du développement humain est plus compliqué que l’étude de celui des animaux et des plantes. Les avortements (spontanés ou non) ont toujours été une importante source d’observation.

Cependant, les premières étapes pré-implantatoires ont pu être étudiées précisément depuis la mise au point de la fécondation in vitro à la fin des années 1970 (Niakan et al., 2012).

Les premières étapes du développement humain (en anglais mais vous pouvez mettre des sous-titres avec une traduction automatique).

*Développement d’un embryon humain in vitro. A, Ovocyte II ovulé avant introduction du spermatozoïde et fécondation. L’ovocyte est entouré par
la zone pellucide (pointes de flèches). B, Peu après la fécondation in vitro (FIV),
les pronoyaux mâle et femelle (flèches) se sont formés. C, Stade à deux cellules. D, Stade à quatre cellules. E, Stade à huit cellules. F, Morula initiant la compaction. G, Morula compactée. H, Blastocyste précoce,
avec trophoblaste (pointes de flèches) et masse cellulaire interne (flèche). L’éclosion de la zone pellucide n’a pas eu lieu. I, Blastocyste éclos, avec
trophoblaste (pointes de flèches) et masse cellulaire interne (flèche). Le blastocoele au centre est bien visible. Source : Larsen’s Human Embryology, Elsevier

*Le début du développement humain (les jours depuis la fécondation sont précisés). D’après https://www.nature.com/articles/s41467-021-25853-4

*Développement de l’embryon humain jusqu’à 16 jours après la fécondation. Cette figure illustre les différentes étapes du développement embryonnaire humain, de la fécondation à la mise en place du disque embryonnaire tridermique :
Clivages précoces (1 à 3 jours) : Succession de divisions cellulaires produisant 2, 4, puis 8 cellules. Morula (4 jours) : Sphère compacte de cellules.
Blastocyste (5–6 jours) : Formation d’une cavité (blastocoele), différenciation en trophectoderme et masse cellulaire interne (futur embryon). Implantation (7–8 jours) : Le blastocyste s’implante dans l’endomètre. La masse cellulaire interne donne naissance à l’épiblaste et à l’hypoblaste (endoderme primitif). Le trophectoderme se différencie en trophectoderme mural et polaire. Développement des annexes embryonnaires (10–12 jours) : Formation du syncytiotrophoblaste (interface avec l’endomètre maternel), apparition de la cavité amniotique. Formation du mésoderme extra-embryonnaire et des lacunes sanguines : mise en place du support vasculaire nécessaire aux échanges avec la mère. Gastrulation (16 jours) : Apparition de la ligne primitive, formation du mésoderme intra-embryonnaire, mise en place des trois feuillets embryonnaires (ectoderme, mésoderme, endoderme définitif) dans le disque embryonnaire tridermique. dpf = jours après la fécondation. Source : https://www.medecinesciences.org/en/articles/medsci/full_html/2023/02/msc220234/msc220234.html

**Développement des structures extraembryonnaires humaines. Au 12^ème jour après la fécondation, le blastocyste est implanté dans la paroi utérine et est composé de la lignée trophectodermique, de l’épiblaste, de l’amnios, de l’hypoblaste et de quelques cellules du mésoderme extraembryonnaire. Trois semaines après la fécondation, l’amnios a formé la cavité amniotique et l’hypoblaste a formé le sac vitellin secondaire, qui assure l’apport de nutriments à l’embryon et présente une activité hématopoïétique. Quatre semaines après la fécondation, le mésoderme extraembryonnaire a participé à la formation de l’allantoïde et du chorion, qui fait partie du placenta et assure les échanges avec les tissus maternels. Source : https://theses.fr/2024UNIP5038

Pour le reste, le modèle souris a longtemps été la référence pour le développement des mammifères mais il existe de grandes différences entre le développement des rongeurs et des primates (dont le dernier ancêtre commun date d’environ 75 millions d’années), notamment la topologie générale de l’embryon au stade de la gastrulation.

**Comparaison des premiers stades de développement de la souris et des primates (dont l’Humain). On observe des différences, notamment dans la manière dont se forme l’hypoblaste et dans la forme générale de l’embryon juste avant et pendant la gastrulation (l’embryon de souris a la forme d’un cylindre alors que l’embryon humain a une forme de disque avec 2 couches cellulaires). Cependant, au moment où commence l’organogenèse, les embryons se ressemblent (stade phylotypique). Source : https://www.frontiersin.org/journals/cell-and-developmental-biology/articles/10.3389/fcell.2024.1386739/full

Egalement, la spécification de l’endoderme primitif chez l’homme ne dépend pas de la voie de signalisation FGF2 contrairement à ce qu’il se passe chez la souris (Roode et al., 2012) et l’expression de CDX2 qui est le marqueur du trophectoderme est activé au stade blastocyste chez l’Homme alors qu’il est activé plus tôt, dès le stade morula chez la souris (Niakan et al., 2013). Toutes ces différences plaident pour ne pas transposer directement les découvertes faites chez la souris chez l’Homme et pour le développement de modèles humains.

**Expression de gènes importants au cours du développement précoce humain. B correspond au stade blastocyste avec des sous-stades de B1 à B5. La déformation du stade B5 correspond à l’éclosion (sortie de la membrane de fécondation). Notez que CDX2 est exprimé à partir du stade B3, ce qui n’est pas le cas chez la souris où CDX2 est exprimé dès le stade morula. TE = marqueurs de trophectoderme; EPI = marqueurs d’épiblaste; PrE = marqueurs d’endoderme primitif. Source : https://www.sciencedirect.com/science/article/am/pii/S0959437X23001053

Les cellules souches pluripotentes que ce soit les cellules embryonnaires souches (ES) issues des blastocytes ou les cellules induites iPS sont maintenant une grande ressource pour connaître les étapes du développement embryonnaire humain et pouvoir expérimenter sur ces étapes. La topologie en 2D de la culture cellulaire classique a laissé la place à des cultures en 3D menant à la formation d’organoïdes qui présentent des similitudes importantes avec les mêmes organes dans les embryons.

**Modélisation 2D et 3D de tissus, d’organes voire de systèmes physiologiques avec les dérivés des cellules iPS. Les iPSC présentent la capacité de s’auto-renouveler et de se différencier en différents types de cellules (par exemple, en cardiomyocytes, en neurones ou en hépatocytes selon les protocoles utilisés). Les cellules dérivées d’iPSC spécifiques au patient sont largement utilisées pour étudier diverses maladies humaines à l’aide de cultures monocouches 2D, mais cette approche ne peut pas récapituler l’architecture tissulaire complexe et les fonctions des organes observées in vivo. Divers systèmes 3D ont été développés pour modéliser les maladies humaines dans des conditions qui imitent plus étroitement l’environnement physiologique, notamment les organoïdes et les cultures dans des systèmes microfluidiques (« puce cellulaire »). À l’avenir, la convergence de ces systèmes 3D et la liaison de plusieurs organes avec une vascularisation artificielle permettront de modéliser les processus dynamiques temporels dans le corps vivant et la pathogenèse de la maladie, ajoutant une quatrième dimension. Source : https://journals.biologists.com/dev/article/145/5/dev156166/48659/Modeling-human-diseases-with-induced-pluripotent

Des blastocystes issues de cellules pluripotentes humaines (ES ou iPS) avec une bonne organisation tridimensionnelle ont pu être obtenus avec divers protocoles (Luijkx et al., 2022).

**Analyse transcriptomique des gènes marqueurs de divers lignées des blastocystes obtenues à partir de cellules ES humaines cultivées en 2D (dans un milieu qui empêche leur différenciation) et dans des agrégats multicellulaires en 3D au bout de 4, 5 et 6 jours dans le milieu de différenciation. TE = trophectoderme; Epi = épiblaste; Hypo = endoderme primitif (ou hypoblaste). Notez que les expressions de Nanog et Pou5f1 (=0ct4) ne changent pas dans l’épiblaste qui reste pluripotent comme les cellules ES. Source : https://www.nature.com/articles/s41467-021-25853-4

Egalement, Warmflash et al., 2014 ont rapporté que les cellules ES humaines cultivées dans des micro-disques recouverts de matrice extracellulaire (ECM) et stimulées avec BMP4, se différencient de manière reproductible en anneaux cellulaires, exprimant des marqueurs d’ectoderme, mésoderme, endoderme et de trophectoderme, disposés à partir du centre vers la périphérie. Les cellules mésendodermiques dans ces cultures présentent des caractéristiques de transitions épithélio-mésenchymateuses. Des gastruloïdes humains ont pu être obtenus et permettre l’étude des voies de signalisation BMP, Nodal et Wnt durant une période de développement jusqu’alors inaccessible (Yoney et al., 2018; Chhabra et al. 2019).

**Gastruloïdes humains traités avec différents ligands. SB veut dire SB431542, un inhibiteur de Smad2 et Smad3 qui sont impliqués dans les voies de signalisation de l’activine et de Nodal. Les immunofluorescences permettent d’observer l’expression de BRA (marqueur mésodermique), CDX2 (tissu extra-embryonnaire), SOX2 (marqueur ectodermique), SOX17 (marqueur endodermique). Le DAPI marque l’ADN (les noyaux). Source : https://elifesciences.org/articles/38279

En parallèle de ces modèles, il y a eu une amélioration des conditions de culture de « vrais » embryons humains issus de fécondation in vitro (et non des modèles dérivés de cellules souches ES ou iPS) qui a repoussé les limites jusqu’à 14 jours de développement qui sont maintenant pleinement accessibles à l’expérimentation in vitro (dans les limites des règlements éthiques des différents pays).

En France, il est interdit de générer des embryons pour la recherche et seuls des embryons surnuméraires d’un projet de fécondation in vitro pour un couple peuvent être utilisés (avec le consentement du couple). Il est aussi interdit de réimplanter des embryons qui auraient été modifiés, notamment génétiquement (par exemple par la méthode CRISPR/Cas9). Toutes les études doivent être autorisées au préalable par l’Agence de la Biomédecine.

SITES POUR ALLER PLUS LOIN SUR LE DEVELOPPEMENT HUMAIN :

Site d’embryologie humaine