Organoïdes macrophages-ilots vascularisés d'origine humaine pour modéliser la pyroptose des cellules B pancréatiques médiée par le système immunitaire lors d'une infection virale

Maladies infectieuses Endocrinologie Sciences de la vie Immunologie Médecine Biologie cellulaire Biochimie
macrophages vascularisés organoïdes ilots pyroptose des cellules B infection virale immuno-médié

Contexte

Depuis le début de l’épidémie de COVID-19, l’infection par le SARS-CoV-2 impacte non seulement le système respiratoire mais est également étroitement liée à des maladies métaboliques telles que le diabète. Des observations cliniques ont révélé l’apparition de nouveaux cas de diabète et l’aggravation de diabète préexistant chez des personnes infectées par le coronavirus, en particulier une augmentation de l’incidence du diabète de type 1 (Type 1 Diabetes, T1D). Cela a attiré l’attention des chercheurs, incitant à explorer les mécanismes potentiels de l’infection virale dans les lésions pancréatiques et la pathogénie du diabète.

Dans le domaine de la recherche sur les lésions immunitaires médiées par une infection virale, le manque de modèles humains a limité la compréhension approfondie des mécanismes de lésions de l’hôte provoquées par l’infection virale. Pour cela, le groupe de recherche dirigé par Liuliu Yang a utilisé la technologie de spatial multi-omique pour analyser en détail les changements cellulaires immunitaires dans les échantillons de tissu autologue pancréatique COVID-19. Ils ont établi un modèle d’organoïde vasculé pancréatique-macrophage dérivé de cellules souches pluripotentes humaines (Human Pluripotent Stem Cells, hPSCs), pour modéliser la pyroptose des cellules B de l’îlot induite par l’infection virale. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue « Cell Stem Cell ».

Méthodes de recherche

Cette étude composée de multiples étapes expérimentalement conçues explore l’impact des infections par le SARS-CoV-2 et le Coxsackievirus B4 (Coxsackievirus B4, CVB4) sur les cellules immunitaires du pancréas ainsi que les cellules B des îlots.

Analyse d’échantillons

Les chercheurs ont d’abord recueilli des échantillons autologues pancréatiques de COVID-19, utilisant la plateforme de spatial multi-omique GeoMx, pour analyser l’impact de l’infection virale sur la composition cellulaire immunitaire dans la région des îlots. Ils ont sélectionné plusieurs régions d’intérêt (Region of Interest, ROI) dans les segments îlots, canal et exocrine, pour une analyse systématique des échantillons COVID-19 par rapport aux témoins. L’analyse multi-omique a révélé une enrichissement significatif des macrophages pro-inflammatoires dans la région des îlots chez les patients COVID-19.

Analyse de séquençage d’ARN à cellule unique

Pour approfondir l’impact de l’infection virale sur les cellules des îlots, les chercheurs ont utilisé le séquençage d’ARN à cellule unique (Single-cell RNA sequencing, scRNA-seq) pour analyser des échantillons d’îlots humains exposés au SARS-CoV-2 ou au CVB4. L’analyse a montré une activation de la voie pro-inflammatoire dans les macrophages, ainsi qu’une induction de la voie de pyroptose dans les cellules B des îlots. En outre, l’activation d’autres voies de mort cellulaire, telle que l’autophagie et la ferroptose, a été identifiée dans les clusters de cellules B.

Construction d’organoïdes

Pour vérifier si les macrophages pro-inflammatoires provoquent la pyroptose des cellules B, l’équipe a construit des organoïdes vasculés pancréatiques-macrophages (Vascularized Macrophage-Islet Organoids, VMI). Pour ce faire, ils ont dérivé des cellules endocrines pancréatiques, des macrophages, et des cellules endothéliales vasculaires à partir de hPSCs, réassemblant ces cellules dans un système de culture 3D pour former des organoïdes VMI. Les cellules dans les organoïdes ont montré des fonctions plus avancées que des cultures séparées de cellules dérivées de hPSCs, en particulier en ce qui concerne l’expression des marqueurs et les fonctions sécrétoires des cellules B et endothéliales. L’observation au microscope électronique a révélé que les cellules endothéliales étaient dotées d’une structure fenêtrée supportant l’échange intercellulaire de substances.

Validation des mécanismes de mort cellulaire

Après exposition des organoïdes VMI au SARS-CoV-2 ou au CVB4, l’équipe de recherche a découvert que les macrophages dans les organoïdes engloutissaient les cellules B endommagées. Une analyse plus poussée a montré que dans les organoïdes exposés aux virus, les macrophages pro-inflammatoires exprimaient significativement les gènes liés à la pyroptose et activaient la voie de signalisation TNFSF12-TNFRSF12A. Pour valider l’effet de cette voie, les chercheurs ont mené des expériences en ajoutant une protéine TNFSF12 et en utilisant des anticorps neutralisants, constatant que le blocage de la voie TNFSF12 réduisait significativement la pyroptose des cellules B.

Résultats de la recherche

Cette étude révèle systématiquement le mécanisme de pyroptose des cellules B induit par les infections virales. Les résultats de multi-omiques et de séquençage d’ARN à cellule unique ont indiqué que la région des îlots dans les échantillons COVID-19 était enrichie en macrophages pro-inflammatoires, activant la voie de pyroptose. La pyroptose des cellules B est fortement liée au signal TNFSF12 des macrophages, et son blocage diminue la pyroptose. Des études supplémentaires ont montré que l’effet conjoint de l’IL-1β et du TNFSF12 augmentait l’occurrence de pyroptose, offrant de nouvelles perspectives pour comprendre les lésions des îlots et la pathogénie du diabète induits par le COVID-19.

Signification de la recherche

Le modèle d’organoïdes pancréatiques de macrophage vasculé développé dans cette étude fournit un outil puissant pour étudier les lésions des îlots médiées par l’immunité, comblant le vide des modèles humains actuels. Grâce à ce modèle, les chercheurs ont révélé la potentielle corrélation entre COVID-19 et la survenue du diabète, en examinant en particulier comment les cellules immunitaires induisent la pyroptose des cellules B des îlots par la voie TNFSF12-TNFRSF12A. Cela fournit un soutien théorique pour l’étude plus approfondie des infections virales et des lésions de l’hôte médiées par les cellules immunitaires, tout en ouvrant la voie à des cibles potentielles pour la prévention et le traitement du diabète et de ses complications.

Les innovations de la recherche se concentrent sur les points suivants :

  1. Construction d’un modèle : Première utilisation de hPSCs pour construire des organoïdes pancréatiques de macrophage vasculé, capables de modéliser de façon réaliste l’interaction entre cellules immunitaires et cellules des îlots.
  2. Exploration des mécanismes : Grâce à la technologie multi-omique, la recherche révèle le mécanisme moléculaire par lequel les macrophages pro-inflammatoires induisent la pyroptose des cellules B par le signal TNFSF12-TNFRSF12A.
  3. Analyse Multipathway : En plus de la pyroptose, la recherche a exposé le rôle de l’autophagie, de la ferroptose et d’autres voies de mort cellulaire sous infection virale, offrant une vue plus complète des mécanismes complexes de lésion des îlots.

Perspectives de recherche

Bien que cette étude fournisse une nouvelle explication des lésions des îlots induites par le COVID-19, la variabilité individuelle chez les patients COVID-19 et la limitation des échantillons autologues pancréatiques nécessitent une augmentation des échantillons à l’avenir pour valider la performance des macrophages pro-inflammatoires chez différents patients. De plus, la fonctionnalité de vascularisation des organoïdes VMI n’est pas totalement mature, et une optimisation des conditions de culture permettrait de rendre la structure vasculaire des organoïdes plus complète pour mieux simuler l’environnement corporel humain. Par ailleurs, étant donné que l’IL-1β a montré une action collaborative dans la pyroptose des cellules B, l’interaction IL-1β et TNFSF12 mérite une recherche approfondie pour dévoiler le réseau régulateur de la voie de pyroptose afin de fournir des stratégies ciblées plus précises pour le traitement antivirale et du diabète.

Cet étude non seulement réalise des avancées importantes dans la compréhension des mécanismes pathogéniens du COVID-19 et de la survenue du diabète, mais démontre également le potentiel d’application des modèles d’organoïdes dans l’étude des lésions immunitaires médiées, fournissant de nouvelles directions et un soutien technologique pour les recherches futures dans les domaines connexes.