Les répliques d'embryons humains sont devenues plus complexes. Voici ce que vous devez savoir.

Certaines touffes de cellules récemment signalées en croissance dans des plats de laboratoire ont été saluées comme les choses les plus proches d'embryons humains jamais créées en laboratoire.

Ces entités sont des modèles d'embryons humains - des masses de cellules créées à partir de cellules souches qui imitent certaines propriétés de certaines étapes du développement embryonnaire. La réalisation donne aux chercheurs la possibilité d'observer le développement humain au-delà de la première semaine environ, lorsque l'embryon doit s'implanter dans l'utérus pour se développer davantage. Cette étape post-implantation n'avait pas été recréée en laboratoire - jusqu'à présent.

Six études publiées en juin et juillet décrivent les modèles d'embryon, qui ont suscité à la fois de l'excitation et des préoccupations.

Pour les chercheurs travaillant sur ces modèles d'embryon, les faux embryons sont de nouveaux outils pour comprendre la "boîte noire" du développement humain, après l'implantation des embryons dans l'utérus. Ils sont utiles car les embryons humains donnés sont rares et il y a des limites aux types d'expériences que les chercheurs peuvent réaliser sur eux.

Environ 60% des grossesses échouent juste avant, pendant ou peu de temps après l'implantation, a déclaré la biologiste du développement et des cellules souches Magdalena Żernicka-Goetz de l'Université de Cambridge et Caltech le 27 juin lors d'un point de presse sur un modèle d'embryon réalisé dans son laboratoire. Les informations tirées des modèles d'embryon pourraient permettre de mieux comprendre pourquoi de nombreuses grossesses échouent et améliorer les traitements de fertilité, a déclaré Żernicka-Goetz.

Mais d'autres s'inquiètent que les modèles - ainsi que les ovules et les spermatozoïdes fabriqués à partir de cellules souches - soulèvent le spectre de chercheurs utilisant les imitations pour créer des bébés. Les scientifiques développant ces modèles affirment que la reproduction n'est pas leur objectif ni leur intention, et que l'implantation dans un utérus est impossible avec ces modèles d'embryon.

Néanmoins, la recherche soulève des questions sur la façon dont il convient - et s'il convient - de réglementer ce que les scientifiques peuvent faire avec des entités semblables à des embryons fabriquées à partir de cellules souches. Des questions se posent quant à savoir si les modèles d'embryon pourraient ou devraient être développés au-delà de l'équivalent de 14 jours de développement humain normal après la fécondation. Et les critiques mettent en garde contre le risque de surestimer ce que les modèles sont ou peuvent faire, ce qui pourrait compromettre la confiance dans la science.

Science News a interrogé des scientifiques et des éthiciens pour en savoir plus sur ces modèles d'embryon humain.

Avant de répondre à cette question, Amander Clark, présidente de la Société internationale de recherche sur les cellules souches, explique que nous devons d'abord comprendre qu'un embryon humain est le produit de la fécondation d'un ovule et d'un spermatozoïde.

Les modèles d'embryon, en revanche, se forment spontanément à partir de cellules souches pluripotentes - celles qui ont le pouvoir de produire presque tous les types de cellules du corps. "Par conséquent, les modèles d'embryon ne correspondent pas à la définition médicale et scientifique d'un embryon, car ils ne proviennent pas du produit de la fécondation par deux gamètes", explique Clark, une scientifique des cellules souches, biologiste du développement et généticienne à l'UCLA.

Pendant des années, les scientifiques ont étudié la première semaine environ du développement humain en utilisant des embryons humains donnés ou des modèles d'embryons. À partir de ceux-ci, les chercheurs ont beaucoup appris sur la formation de la masse de cellules appelée blastocyste. Les blastocystes ont une couche externe de cellules qui formeront le placenta et d'autres systèmes de soutien pour l'embryon en développement, ainsi qu'un amas interne de cellules qui donnera naissance au corps.

Obtenez un excellent journalisme scientifique, de la source la plus fiable, livré à votre porte.

Mais ce sont les quelques semaines suivantes de la vie où se déroule l'action réelle, explique le biologiste des cellules souches et embryologiste Jacob Hanna de l'Institut Weizmann des Sciences à Rehovot, en Israël. Entre le septième jour et environ le trente-cinquième jour après la fécondation, l'embryon construit tous ses organes. "Il passe d'une masse de cellules à une structure que n'importe qui dans la rue ... vous dirait: 'Ceci est un embryon.' Et ensuite, les huit autres mois ne sont que la croissance de l'embryon ", dit-il.

Les chercheurs ont assemblé des modèles d'embryon contenant certaines, mais pas toutes, les types de cellules nécessaires au développement normal. Les modèles d'embryon nouvellement rapportés imitent des structures qui se trouveraient dans un embryon implanté dans l'utérus, même si les imitations n'ont rien à implanter. Les modèles simulent une fenêtre très spécifique du développement embryonnaire: "les événements qui se produisent lorsque l'embryon s'implante, comment l'embryon se forme spontanément", explique Clark. "Ensuite, essentiellement, ils s'effondrent."

Aucun des modèles ne reproduit complètement un véritable embryon, dit-elle. Par exemple, aucun ne produit un très bon trophectoderme, la couche de cellules qui donnera naissance au placenta plus tard dans le développement. Cette couche est importante pour qu'un embryon s'implante dans l'utérus, et elle envoie également des signaux qui aident le reste de l'embryon à se développer correctement.

Les modèles d'embryons post-implantation ont attiré l'attention des médias lorsque Żernicka-Goetz a présenté des résultats préliminaires lors d'une conférence le 13 juin à Boston lors d'une réunion de la Société internationale de recherche sur les cellules souches. Le journal The Guardian a salué ce travail comme une percée qui a créé des embryons humains synthétiques.

Ce caractère ne correspond pas à la réalité des progrès réalisés, selon Alfonso Martinez Arias, biologiste du développement à l'Université Pompeu Fabra de Barcelone. Il s'agit non pas d'une percée, mais d'une avancée graduelle et loin de recréer un embryon, a-t-il déclaré.

Żernicka-Goetz et ses collègues ont génétiquement modifié des cellules souches humaines pour qu'elles ressemblent à trois types de cellules nécessaires au développement de l'embryon : des cellules qui imitent le trophectoderme, un tissu important pour la formation du placenta, des cellules similaires à celles qui formeront le sac vitellin qui nourrit l'embryon jusqu'à ce que le placenta prenne le relais, et des cellules qui forment l'épiblaste, les cellules internes de l'embryon qui se développeront en organes et en tissus. L'équipe a rapporté que les boules de cellules résultantes ressemblent à certains aspects des embryons humains.

Par exemple, la couche de trophectoderme se forme à l'extérieur de la structure ressemblant à un embryon, comme dans les embryons réels. Cependant, elle ne produit pas les protéines typiques de cette couche lorsqu'elle est assemblée en une structure en 3D, donc elle n'est pas réellement un précurseur placentaire, a déclaré Bailey Weatherbee de l'Université de Cambridge lors de la conférence de presse. Mais cette couche est nécessaire à l'assemblage du reste du modèle d'embryon, ce qui suggère qu'elle remplit certaines des fonctions du trophectoderme, a-t-elle déclaré.

Comme l'équipe de Żernicka-Goetz, tous les groupes de recherche ont utilisé des cellules souches humaines. En contrôlant attentivement les conditions de culture et le nombre de certains types de cellules ajoutées au mélange, les cellules souches ont pu se développer en structures ressemblant à des embryons. Les modèles diffèrent par le nombre de types de cellules qu'ils contiennent et par les caractéristiques des embryons réels qu'ils sont capables de reproduire.

Un groupe de chercheurs a réussi à faire en sorte que les cellules souches forment des structures ressemblant à des embryons avec deux couches de tissu. Ces travaux, également décrits dans Nature le 27 juin, n'ont pas utilisé de manipulation génétique ou de produits chimiques pour induire la formation de structures ressemblant à des embryons. Au lieu de cela, les chercheurs ont utilisé la capacité d'auto-organisation des cellules souches, selon le biologiste du développement Berna Sozen de l'École de médecine de Yale.

Le modèle obtenu ne contient pas de trophectoderme. Lorsque les chercheurs ont réalisé que ce tissu était absent, ils ont pensé que cette absence pourrait leur apprendre quelque chose sur son importance, explique-t-elle. "En l'absence de ces tissus, on peut voir ce qui va se passer, ce qui ne va pas se passer, et alors on obtient des informations scientifiques très solides sur pourquoi on a besoin de ce tissu", dit-elle.

Une autre tentative de chercheurs chinois et du Michigan, décrite dans un préimprimé non encore évalué par des pairs publié le 16 juin sur bioRxiv.org, est techniquement impressionnante, selon Martinez Arias. Mais elle manque encore d'une couche précourante placentaire.

Plus récemment, une équipe dirigée par Jun Wu du Centre médical de l'Université du Texas à Dallas a réussi à convaincre des cellules souches de former des structures ressemblant à des embryons qui traversent l'événement de réarrangement appelé gastrulation, selon les chercheurs dans Cell le 20 juillet. Au cours de la gastrulation, les embryons passent de sphères creuses de cellules à des structures multicouches qui donneront naissance aux organes et aux tissus qui formeront le corps.

Ces modèles de "périgastruloïdes" produisent certains tissus ressemblant à ceux du système nerveux précoce et peuvent aider à confirmer l'origine des cellules qui donneront naissance aux ovules et aux spermatozoïdes. Ces modèles contiennent également un sac vitellin, mais "notre modèle n'est pas complet", explique Wu. "Nous n'avons pas de tissu placentaire."

Étant donné que ces modèles ne contiennent pas de trophectoderme, les chercheurs ont dû ajouter des protéines pour stabiliser et soutenir les gastruloïdes afin qu'ils puissent se développer correctement.

Une équipe de chercheurs chinois a rapporté des résultats préliminaires montrant des gastruloïdes similaires avec des sacs vitellins le 28 juin sur bioRxiv.org. Cette équipe a découvert que le thalidomide modifie la formation des couches de tissus et perturbe le développement.

À l'avenir, les chercheurs pourraient utiliser de tels modèles pour comprendre comment les produits chimiques de l'environnement pourraient affecter le développement des embryons, explique Wu.

Martinez Arias et d'autres chercheurs ont déjà créé des gastruloïdes pouvant modéliser le développement jusqu'à 19 jours après la fécondation, mais ces modèles antérieurs n'avaient pas de sac vitellin.

De cette "ruée vers l'or" des modèles d'embryons, seuls deux représentent de véritables avancées, selon Martinez Arias : les gastruloïdes de Wu et les modèles d'embryons de Hanna.

Les modèles d'Hanna, décrits dans un préimprimé publié le 15 juin sur bioRxiv.org, présentent une similitude raisonnable avec un sac vitellin et un précursseur placentaire, selon Martinez Arias, et créent des structures qui ressemblent de manière "étonnante" à celles des embryons au 14e jour de développement.

Le processus permettant d'obtenir un modèle d'embryon très proche de la réalité a été long, explique Hanna. Son équipe a d'abord réussi à faire croître des embryons de souris au-delà de cette phase de développement dans des boîtes de laboratoire. En utilisant des embryons de souris comme "compas expérimental", les chercheurs ont ensuite découvert comment assembler un modèle d'embryon de souris à partir de cellules souches. À partir de là, l'équipe a utilisé les astuces qu'elle avait apprises pour faire pousser des cellules souches humaines dans des conditions qui les ont incités à s'auto-assembler en structures approximatives d'embryons après l'implantation.

L'auto-assemblage a contourné le stade de blastocyste et est passé directement à quelque chose qui ressemble à un embryon après l'implantation, a découvert son équipe. "Peut-être que les modèles d'embryons sont déficients parce que nous ne passons pas par le stade de blastocyste. Je ne le pense pas. Mais je ne peux pas l'exclure pour le moment", déclare Hanna.

Non, mais cette question revient toujours.

Les scientifiques s'intéressent aux avancées techniques et biologiques que les nouveaux modèles d'embryons apportent. Mais pour la plupart des gens, "c'est vraiment la possibilité qu'ils puissent être utilisés pour la reproduction qui attire l'attention", déclare Katie Hasson, directrice associée du Center for Genetics and Society, une organisation à but non lucratif de justice sociale basée à Berkeley, en Californie.

Les scientifiques affirment qu'il n'est pas possible d'utiliser ces modèles d'embryons pour la reproduction. "Non seulement il est illégal de placer ces modèles d'embryons tardifs dans l'utérus, mais en réalité, même si je le voulais, ou si quelqu'un le voulait, ces structures ne pourraient jamais s'implanter", déclare Hanna. L'implantation ne se produit que lorsque les embryons sont composés d'une à 64 cellules. Ces modèles d'embryons après l'implantation ont dépassé ce stade. Biologiquement, dit-il, "cela ne réussira jamais".

Wu est d'accord. "Ces modèles ne sont pas du tout des embryons humains", dit-il. "Ils ne peuvent générer aucun type de vie. Ce ne sont essentiellement que des amas de cellules."

Il y a aussi des obstacles légaux à la croissance des embryons en laboratoire au-delà d'un certain stade. Au Royaume-Uni, la loi interdit de faire croître des embryons au-delà de 14 jours de développement, à partir du moment où l'embryon met en marche son programme de développement. Cette limite a été imposée peu de temps après que la fécondation in vitro soit devenue possible.

Mais certains de ces modèles d'embryons ressemblent déjà à des embryons au stade de développement de 14 jours. Étant donné que ces modèles ne sont pas créés par fécondation et ne pourraient jamais donner naissance à une personne, certains chercheurs soutiennent qu'ils ne devraient pas être soumis à la règle des 14 jours.

Aux États-Unis, il n'y a pas de loi interdisant de faire croître des embryons au-delà de 14 jours, mais l'amendement Dickey-Wicker de 1995 interdit aux Instituts nationaux de la santé des États-Unis de financer la recherche sur les embryons ou les cellules similaires à des embryons ayant un "potentiel organique", explique Clark. Étant donné que ces modèles ne contiennent pas certaines parties essentielles, ils n'ont aucun potentiel pour former un organisme - la recherche avec des modèles d'embryons peut donc être financée.

La société internationale des cellules souches a récemment actualisé ses lignes directrices, suggérant que si les scientifiques veulent cultiver des embryons créés par fécondation pendant plus de 14 jours, ils doivent obtenir l'approbation du public dans leur juridiction. Étant donné que ces modèles ne sont pas des embryons, les lignes directrices de la société suggèrent qu'ils peuvent être cultivés jusqu'à ce qu'une structure appelée "streak primitif" apparaisse, indiquant que l'embryon commence à se former.

L'objectif de la plupart des scientifiques dans ce domaine est de comprendre le processus par lequel les cellules assemblent un embryon, puis créent tous les organes et tissus du corps, explique Martinez Arias. Il n'est ni nécessaire ni souhaitable, et peut-être même pas possible, de construire une réplique parfaite d'un embryon. "Je ne pense certainement pas que ce soit quelque chose que nous voulons faire, ou que nous devrions faire ou devrions dire", dit-il. "Et ce n'est pas quelque chose qui est à l'horizon."

Néanmoins, les scientifiques doivent appuyer sur le bouton "pause" pour évaluer attentivement les structures similaires à des embryons et déterminer comment elles peuvent aider à comprendre le développement humain, dit Martinez Arias. "J'espère que maintenant nous pourrons tous développer ces systèmes d'une manière utile pour la recherche, plutôt que d'essayer de voir à quel point nous pouvons aller dans l'espace, sans réfléchir à comment nous revenons."

Les conversations avec le public sur ce que représentent les modèles d'embryons sur le plan scientifique, philosophique et juridique, et sur la manière de les utiliser de manière éthique, doivent commencer dès maintenant, dit Hasson. "Nous devons y réfléchir dès maintenant, car ce n'est pas le cas, et cela ne devrait pas être le cas, que les limites techniques de ce que les scientifiques peuvent actuellement faire avec ces modèles devraient définir la discussion éthique et les limites éthiques."

Notre mission est de fournir des informations précises et captivantes sur la science au public. Cette mission n'a jamais été aussi importante qu'aujourd'hui.

En tant qu'organisation d'information à but non lucratif, nous ne pouvons pas le faire sans vous.

Your support enables us to keep our content free and accessible to the next generation of scientists and engineers. Invest in quality science journalism by donating today.