Le microscope offre une vision en 4 dimensions du développement embryonnaire chez des souris vivantes

Un nouveau microscope intelligent a donné aux scientifiques un siège au premier rang du drame du développement des mammifères.

Pour la première fois, les chercheurs peuvent désormais jeter un coup d’œil à l’intérieur d’un embryon de souris vivant et observer la formation de l’intestin et les premières battements timorés des cellules cardiaques. Au cours d'une fenêtre critique de 48 heures – lorsque les organes rudimentaires commencent à se dessiner – les scientifiques peuvent suivre chaque cellule embryonnaire et déterminer avec précision où elle s'est dirigée, quels gènes elle a activé et quelles cellules elle s'est croisée au fil du temps.

Philipp Keller, physicien et biologiste du Janelia Research Institute de l’Institut médical Howard Hughes, à Ashburn, en Virginie, a déclaré: «Le nouveau travail est« littéralement un plan d’édification à résolution cellulaire de la souris entière ». Lui et ses collègues rendent compte des résultats du 11 octobre dans le journal. Cellule. Et ils rendent le microscope et les outils informatiques, construits chez Janelia, et toutes les données d’imagerie disponibles et accessibles au public.

Kate McDole, biologiste du développement chez Janelia et co-auteur de l'étude, explique Kate McDole, biologiste du développement chez Janelia. Ces ressources sont essentielles pour les scientifiques qui tentent de développer ou de régénérer des organes, ou de résoudre un jour les problèmes de développement qui surviennent dans l'utérus. «Pour faire tout cela, vous devez d'abord comprendre comment se forment les organes», dit-elle. "Vous devez réellement voir ce qui se passe dans un véritable embryon."

Regardant à l'intérieur

Jusqu'à présent, les meilleures images d'embryons vivants provenaient de poissons et de mouches. Il y a dix ans, Keller et ses collègues ont mis au point le premier «embryon numérique» du poisson zèbre, une sorte de méné rayé souvent étudié par les scientifiques.

Les chercheurs ont scanné les embryons de poisson avec un microscope optique à plaques, qui projetait des échantillons ultra-minces de lumière laser à travers des échantillons, section par section incrémentielle. Keller a conçu des programmes informatiques pour donner un sens à toutes les données d'imagerie. Le résultat a donné un aperçu haute résolution des 24 premières heures de développement des poissons.

Les collègues de Keller et Janelia ont suivi les travaux avec un embryon numérique de mouche des fruits rapporté dans la revue Nature Methods en 2014. Ces animaux sont relativement simples à imager, dit Keller, en particulier le poisson zèbre. Ils sont transparents et peu sensibles à la lumière, ce qui en fait une «cible facile pour la microscopie».

Les souris sont une histoire différente. Garder des embryons de souris en vie dans le laboratoire – même pendant de courtes périodes – nécessite une liste exhaustive de conditions. Les embryons doivent être gardés stériles, par exemple; ils doivent être immergés dans une sorte de soupe nutritive; et les niveaux de gaz et de température doivent être contrôlés avec précision. De plus, les cellules sont incroyablement sensibles à la lumière, les tissus peuvent être denses et opaques et l’embryon ne peut pas être maintenu sous le microscope. Au lieu de cela, il est ancré à un seul point, alors il «dérive comme un petit ballon», dit McDole.

Enfin, pendant la période au cours de laquelle les chercheurs ont voulu observer, de six jours et demi à huit jours et demi après la fécondation, l'embryon grossissait de plus d'un ordre de grandeur – jusqu'à presque trois millimètres de diamètre, environ la longueur d'un sésame la graine. Pour le microscope, l’embryon est une cible mouvante, dont la taille et la position changent constamment. Même un humain campé dans le laboratoire, ajustant la mise au point toutes les cinq minutes pendant deux jours, ne peut pas capturer d’images nettes de tout l’embryon, explique Keller.

Son équipe a donc adopté une approche différente: ils ont conçu un microscope capable de faire tout le travail lui-même.

Une portée plus intelligente

Au centre du microscope des chercheurs Janelia, un cube en acrylique transparent abrite la chambre d’imagerie des embryons. Deux feuilles lumineuses illuminent l'embryon et deux caméras enregistrent des images. Ces composants permettent aux chercheurs d’espionner le monde jadis inédit du développement des organes, révélant des événements dynamiques avec des détails haute résolution encore jamais vus.

L’équipe s’aperçoit que «ce n’est pas un processus lent et lent», a déclaré McDole. «Tout cela cède et fait un trou énorme.» Et le tube neural, la structure qui forme plus tard le cerveau et la moelle épinière, se resserre comme une fermeture à glissière, s’étendant sur l’embryon.

Le cerveau du microscope est équipé d’une suite d’algorithmes permettant de suivre la position et la taille de l’embryon. Ces algorithmes cartographient la façon dont la feuille de lumière se déplace dans l'échantillon, puis déterminent comment obtenir les images les plus esthétiques possibles – en maintenant l'embryon au centre de la vision.

Étant donné que l'embryon est en constante évolution, le microscope doit s'adapter en permanence et prendre des décisions en quelques millisecondes, sur des centaines d'images et à des centaines de moments différents. "Je ne dirais pas que notre microscope est plus intelligent qu'un humain", dit Keller, "mais il est capable de faire des choses qu'un opérateur humain ne serait pas capable de faire."

Nouveaux outils

Les chercheurs ont recueilli près d’un million d’images pour chaque embryon examiné. Ensuite, ils ont construit une boîte à outils informatique pour reconstituer une image de l’arc de développement de chaque cellule embryonnaire. Une première étape consistait à suivre chaque cellule pendant 48 heures de données d'imagerie. Cela reposait sur un programme de suivi des cellules amélioré que l’équipe avait initialement mis au point pour les embryons de mouches et de poissons zèbres. Associés à un programme créé par l’appel appelé flux vectoriel statistique, les chercheurs pourraient travailler en arrière pour déterminer l’origine de chaque cellule de l’embryon âgé de huit jours et demi, explique le coauteur de l’étude, Léo Guignard, informaticien Janelia. C’est comme dessiner une carte du destin et de l’histoire de chaque cellule, dit-il.

Sans ces programmes, il aurait fallu deux à trois ans à un humain pour suivre chaque cellule, dit Keller.

Un éventail d’autres outils a permis à l’équipe de préciser les subtilités de la gastrulation, lorsqu’un embryon se transforme en une structure à plusieurs couches et en une organogenèse précoce. Les collaborateurs de Janelia, Andrew Berger, Srinivas Turaga et Kristin Branson ont construit un détecteur de division cellulaire qui enregistre automatiquement quelle cellule est divisée (et où et quand). Et Guignard a développé un programme pour créer un embryon de souris «moyen» virtuel, en alignant quatre embryons dans l’espace et dans le temps. (Les fans de Doctor Who reconnaîtront le nom du programme, TARDIS, un clin d’œil à la machine temporelle utilisée par le docteur fictif.)

Le nouveau microscope est la sixième que l’équipe de Keller a développée au cours de ses huit années chez Janelia; chacun vient avec des outils logiciels nouveaux et améliorés. Selon Keller, dans de nombreux cas, les champs d'application «permettent des types fondamentalement nouveaux d'expériences d'imagerie», tels que l'observation du développement d'embryons de souris entières.

Leur dernier ouvrage aborde une question fondamentale en biologie. Keller explique: «Comment passer d'une cellule à un embryon?»