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Biologie

Percée mondiale: des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv ont imprimé un cœur vivant sur une imprimante 3D à partir de cellules humaines

Les chercheurs du laboratoire du Prof. Tal Dvir de l'Université de Tel-Aviv ont réussi, pour la première fois au monde, à résoudre un défi majeur de la médecine moderne: utiliser une imprimante 3D pour imprimer un cœur vivant à partir de tissus prélevés sur un patient. D’après eux, la méthode ouvre la voie à la médecine du futur, et dans dix ans il sera possible d’imprimer pour chaque patient l’organe dont il a besoin à partir de tissus prélevés sur son corps, et il ne sera plus nécessaire d'attendre les greffes d'organes avec leurs risques de rejet.
Ces travaux novateurs ont été réalisés par le doctorant Nadav Nur et le Dr. Assaf Shapira dans le laboratoire du Prof. Dvir, affilié à trois unités de recherche de l'Université de Tel-Aviv : l'Ecole de biologie cellulaire moléculaire et de biotechnologie de la Faculté des sciences de la vie, le Département de génie des matériaux de la Faculté d'ingénierie et le Centre de recherche pour la biotechnologie régénérative.

Coeur2Ils ont été publiés aujourd'hui lundi 15.4.19 dans la revue Advanced Science.

« Depuis l'invention de la technologie d'impression tridimensionnelle, les chercheurs du monde entier tentent de l’utiliser pour imprimer, entre autres, des tissus et des organes destinés à la transplantation », explique le Prof. Dvir. « Nous avons développé une nouvelle technologie qui résout un bon nombre des difficultés rencontrées en cours de route ».

Pour réaliser cette étude, les chercheurs ont utilisé des tissus adipeux prélevés sur un patient et y ont séparé les cellules graisseuses du collagène extracellulaire qui soutient le tissu. Puis, par un processus avancé d’ingénierie génétique, ils ont transformé ces cellules en cellules souches, à partir desquelles ils ont fabriqué des cellules du muscle cardiaque (myocarde) et des cellules vasculaires. En parallèle, ils ont créé à partir du collagène une sorte ‘d’encre’ pour permettre l’impression. Ensuite, ils ont mélangé tous ces matériaux et alimenté avec ce mélange une imprimante en 3D, qui a imprimé conformément aux instructions de l'ordinateur, en fonction des images d'un cœur humain obtenues par IRM et par tomographie.

Un coeur de n'importe quelle taille, sans réaction immunitaire

tal dvirLe cœur ainsi imprimé est constitué de très jeunes cellules, qui sont déjà capables de se contracter et présentent les propriétés des cellules cardiaques. Les chercheurs travaillent à présent à la maturation de ce cœur dans un environnement spécifique (bio-réacteur) jusqu'à ce que les cellules deviennent adultes, capables de communiquer entre elles par des signaux électriques et de fonctionner avec une efficacité maximale. Les chercheurs espèrent qu'au cours de l'année à venir, des cœurs imprimés de ce type seront implantés chez les animaux afin d’en tester le fonctionnement.

« La méthode que nous avons développée nous permet d'imprimer un cœur de n'importe quelle taille. De plus, dans la mesure où ce cœur imprimé est produit à partir des propres tissus du patient, son système immunitaire ne le rejettera pas, comme cela arrive fréquemment pour les greffes d’organes actuelles », conclut le Prof. Dvir. « Enfin, cette méthode convient en fait pour tous les organes susceptibles d’être greffés, et nous pensons qu'elle ouvre la voie à des technologies futures qui permettront de remplacer totalement les dons d'organes. Lorsqu'un patient aura besoin d'une transplantation, on prélèvera des tissus sur son corps, à partir desquels on pourra imprimer un organe personnalisé, adapté au patient par sa taille et ses caractéristiques et qui pourra être implanté dans son organisme ».

coeur

La générosité est une question de bactéries, d'après des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv

Pourquoi sommes-nous généreux les uns envers les autres, ou tout simplement portés vers autrui ? D'après une étude du doctorant Ohad Lewin-Epstein et du Dr. Ranit Aharonov sous la direction du Prof. Lilach Hadany du Département de biologie moléculaire et d'écologie des plantes de l'Université de Tel-Aviv, les bactéries de notre flore intestinale ont un rôle important dans nos comportements altruistes.

SingesDans le laboratoire du Prof. Lilach Hadany, on tente de résoudre des problèmes classiques de l'évolution biologique à l'aide de modèles mathématiques. Ainsi la chercheuse essaie-t-elle de débrouiller l'énigme de l'altruisme en introduisant dans son analyse un facteur entièrement nouveau et original: le microbiome, ou ensemble des bactéries qui se sont adaptées à notre organisme, et vivent littéralement dans notre corps, que ce soit dans nos intestins, notre système urinaire, ou notre épiderme.

La survie des bactéries

" Nous connaissons depuis de nombreuses années l'existence de ces bactéries, dont le nombre est égal à celui des cellules de notre corps, et même le dépasse", explique-t-elle. "Nous disposons également de nombreuses informations sur leur capacité à influencer le comportement de leur 'hôte', c'est-à-dire de l'être vivant qui les véhicule dans son corps. Nous avons donc pensé qu'elles peuvent également jouer un rôle dans son évolution. Aussi nous sommes-nous demandé si ces microbes pourraient avoir un intérêt à que leur hôte puisse en aider un autre et collaborer avec lui".

Quel genre d'intérêt? La survie, bien sûr. "Les bactéries microbiennes se propagent de deux manières: premièrement, par héritage 'vertical', de génération en génération, lorsque leur hôte met au monde des descendant et leur " lègue" ses microbes. Deuxièmement, lorsqu'un être vivant en aide un autre, le nourrit, le garde, le nettoie ou l'étreint, le contact et le frottement permettent aux bactéries de "sauter" d'un hôte à l'autre, propageant ainsi leurs gènes par "héritage horizontal", entre amis. Nous suggérons que les bactéries intestinales manipulent leur hôte pour qu’ils se comportent de manière altruiste et aident les autres, afin de pouvoir les infecter et profiter des avantages que les autres ont gagné".

Lilach HadanyLe Prof. Hadany n'explique bien sûr pas l'existence de l'altruisme dans la nature par la seule activité microbienne: "Je veux dire qu'un modèle qui prend également en compte l'effet microbien peut donner une image plus complète de la tendance d'un être vivant à aider les autres. Le cas le plus clair est bien sûr celui des les parents qui s'occupent de leur progéniture, en raison de la proximité génétique: chaque enfant porte la moitié des gènes de chacun de ses parents, et l'intérêt de ceux-ci sur le plan génétique est donc de prendre soin de sa progéniture voire même de prendre des risques pour elle, afin que les gènes communs soient transmis aux générations futures. Mais si l'on prend également en compte le système microbien, il semble que l'intérêt des soins à la progéniture soit encore plus grand. En effet, s'ils contribuent à la survie de 50% des gènes parentaux, ils permettent le transfert de 100% du génome du système microbien. Ainsi le parent qui s’occupe de sa progéniture cultive ses gènes, mais aussi ceux de son système microbien. Il est donc avantageux pour les microbes qu'il continue à investir dans sa progéniture".

Le long de l'axe 'intestin-cerveau'

Comment le modèle mathématique mis au point dans le laboratoire du Prof. Hadany permet-il de mesurer une telle réalité biologique ? "En fait, ce processus peut prendre des millions d'années", explique-t-elle. "Le modèle mathématique nous permet de calculer la faisabilité de telles occurrences. Avec son aide, nous avons créé deux groupes microbiens virtuels, l’un encourageant l’altruisme de son hôte et l’autre non. Au cours des générations (virtuelles), les bactéries qui ont favorisé l’altruisme de leur hôte ont mieux réussi que celles qui ne l'ont pas fait, de sorte que l'altruisme est devenu un élément stable de cette population. En principe, on peut dire qu'un être vivant altruiste perd de ses compétences et augmente celles de son voisin, qui, lui, peut ne pas être altruiste. Mais ses bactéries au contraire y gagnent, car en raison de l'interaction elles réussissent à se propager sur un autre être vivant".

Mais comment des bactéries qui se trouvent dans l'intestin peuvent donc affecter le comportement d'un être vivant, c'est-à-dire agir sur son cerveau ? "Il existe de nombreux parasites qui transforment le comportement de l'animal qui le porte et le manipule à son avantage. L’exemple le plus courant est le virus de la rage, qui pénètre le corps après une morsure, atteint le cerveau de l’animal infecté et l’affecte de sorte qu'il éprouve le besoin de mordre les autres. Le virus oriente son hôte pour qu'il le transmette vers un autre hôte. Autre exemple : le parasite de la toxoplasmose qui vit chez la souris mais se multiplie chez les chats. Lorsqu'il pénètre la souris, il agit sur son cerveau de telle sorte qu'elle soit attirée par l'odeur de l'urine des chats. En fait, le parasite pousse la souris directement dans les mâchoires de son prédateur, comportement qui lui coûte la vie, mais sert le parasite".

Une unité évolutionnelle

Selon le Prof. Hadany, la propagation se fait par le biais de substances (qui peuvent être des neurotransmetteurs tels que la sérotonine et la dopamine, ou des hormones, etc.) secrétées par les bactéries dans l'intestin de leur hôte, qui atteignent son cerveau par l'intermédiaire du nerf vague ou pneumogastrique, selon un trajet appelé 'axe intestin-cerveau'. Pour elle : "Le fait que des substances produites par les bactéries puissent affecter le cerveau des animaux et des humains découle de la similitude fondamentale de tous les organismes vivants, tous basés sur la même génétique et la même biochimie. Il peut donc être naturel de voir les bactéries et leur hôte comme une seule et même entité, constituant une unité évolutionnelle".

Bien que le laboratoire du Prof. Hadany soit en principe consacré à la recherche théorique, les chercheurs tentent néanmoins de vérifier leurs hypothèses par une expérience menées sur des fourmis, connues pour leur capacité de collaboration. "Notre hypothèse est que la reine qui nourrit toutes les fourmis leur transfère son système microbien et assure l'unité du génome. Pour voir si le microbiome est impliqué dans le comportement altruiste des fourmis, nous prévoyons de neutraliser leurs bactéries intestinales, par exemple en les nourrissant avec des antibiotiques, puis de voir si même, sans système microbien, elles continueront de s'entraider".

Selon les chercheurs, nos parasites ont donc tout simplement intérêt à nous encourager à être sociables et à entrer en interaction les uns avec les autres : manger ensemble, dormir ensemble, s'embrasser…Conclusion: nous sommes non seulement orientés par nos gênes, mais par ceux de nos bactéries ! "Quand j'ai envie de quelque chose de sucré, ou d'une caresse, je me surprends à me demander si c'est moi qui le veut ou ma microbiologie", dit-elle avec humour. D'un autre côté poursuit-elle, peut-être sera-t-il possible un jour de fabriquer de petits de bonbons à partir de variétés de microbes amicaux qui encouragent la coopération...

Les fleurs peuvent entendre les insectes, d'après une étude de l'Université de Tel-Aviv

Selon une étude réalisée par le Prof. Lilach Hadany et le Dr. Yuval Sapir du Département de biologie moléculaire et d'écologie des plantes de l'Université de Tel-Aviv, en collaboration avec le Dr. Yossi Yovel du Département de zoologie, la concentration en sucre du nectar des fleurs d'onagre augmente presque instantanément lorsqu'elles sont exposées au bruit des ailes des papillons et des abeilles. Selon les chercheurs, cette découverte pourrait avoir un impact important sur la compréhension de l'évolution des fleurs et des insectes.

Fleur et abeilleA également participé à cette étude le Prof. Danny Chamovitz, ancien Doyen de la Faculté des Sciences de la vie de l'Université de Tel-Aviv et actuel Président de l'Université Ben-Gourion du Néguev.

Les plantes sont beaucoup moins passives qu'on ne pourrait le penser et elles se relient à leur environnement de différentes manières. Des études récentes ont montré comment elles réagissent à la lumière (sens de la vue), à la stimulation mécanique (sens du toucher) et à certains produits chimiques qui s'évaporent dans l'air (sens de "l'odorat"). Un petit nombre d'études ont même examiné la réaction des plantes aux sons, l'un des modes de communication les plus courants du règne animal, mais mettent l'accent sur leurs effets à long terme sur la croissance des végétaux.

Le bruit produit par les humains peut nuire à la communication entre les fleurs et les abeilles

D'après les chercheurs, la présente étude est la première qui montre la réaction quasi-immédiate des plantes aux sons: "la concentration en sucre du nectar des fleurs d'onagre augmente considérablement et en trois minutes seulement lorsqu'elles sont exposées au bruissement d'ailes des papillons et des abeilles, qui récoltent leurs grains de pollen et les disséminent d'une fleur à l'autre. L'étude dévoile également que la réaction de la plante dépend de la fréquence des sons de bourdonnement. En effet, lorsque les plantes ont été exposées à des bruits d'une fréquence plus forte que celle des pollinisateurs, la concentration en sucre du nectar n’a pas augmenté".

Lilach HadanyPour les chercheurs, cette capacité des plantes à réagir au bruit des insectes pollinisateurs a de nombreux effets: la production de nectar étant énergivore, les plantes sont ainsi capables d'investir leurs ressources avec précision et de se concentrer sur les périodes d'activité des pollinisateurs, laquelle a donc plus de "rendement" pour chaque unité de temps investie dans la fleur. Mais cette découverte pourrait avoir des implications plus vastes, notamment sur l'évolution des plantes et des insectes. Selon les chercheurs, il se peut en effet que le développement de la forme des fleurs soit influencé par des facteurs affectant la capacité auditive de la plante, et pas seulement par sa fonction d'attraction des insectes. Il est de même possible que divers insectes se soit développés de manière à émettre des sons que les fleurs soient capables d'absorber. Enfin, selon eux, les résultats de l'étude : "suggèrent que les plantes peuvent également être affectées par d'autres sons, y compris ceux générés par l'homme". Autrement dit, le bruit produit par les humains peut nuire à la capacité de communication des fleurs et des abeilles.

La vibration des pétales

Selon l'étude, la partie de la plante la plus appropriée à l'absorption des vibrations produites dans l'air par les ailes des insectes pollinisateurs est la fleur elle-même, en particulier celles en forme de coupe. L’hypothèse émise est que certaines parties de la fleur, ou sa totalité, vibrent en réponse aux sons produits par les ailes des insectes : "les sons des pollinisateurs et les sons synthétiques émis à des fréquences similaires provoquent la vibration des pétales, éveillant en réaction une augmentation rapide de la concentration de sucre dans le nectar".

Pour s’assurer du rôle de la fleur dans ce phénomène, les chercheurs ont notamment enveloppé des fleurs d'un verre isolant, puis exposé la plante aux sons des pollinisateurs. Et en effet, dans ce cas, aucune augmentation de la concentration de sucre dans le nectar n'a été constatée.

"La science en sait aujourd'hui beaucoup sur la réaction des pollinisateurs aux signaux à distance que transmettent les plantes ", concluent les chercheurs. "En revanche, la réaction à distance des plantes aux pollinisateurs n'avait jamais été démontrée. Les conséquences sur l'écosystème d'une telle réaction peuvent être considérables, car la pollinisation est essentielle pour l'existence de nombreuses espèces de plantes". Selon eux, d'autres études pourraient également révéler que : "les plantes peuvent entendre et réagir aux herbivores, aux autres animaux, aux facteurs naturels et éventuellement à d'autres plantes".

Des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv développent une matière plastique biodégradable à partir d'algues

Une équipe multidisciplinaire de chercheurs de l'Université de Tel-Aviv, sous la direction du Dr. Alexander Golberg de l'Ecole Porter des études sur l'Environnement et les Sciences de la Terre et du Prof. Michael Gozin de l'Ecole de Chimie est parvenue à produire un biopolymère à partir de microorganismes et d'algues cultivés dans de l'eau de mer. Selon les chercheurs il s'agit d'une avancée majeure qui permettra aux pays pauvres en eau douce, tels qu'Israël, la Chine ou l'Inde, de passer au plastique biodégradable, allégeant ainsi le fardeau que constitue le plastique traditionnel pour l'environnement.

bioplastique2Les résultats de l'étude ont été publiés cette semaine dans la prestigieuse revue Bioresource Technology.

Le plastique, polymère transformé pour l'usage industriel, est l’un des agents les plus polluants au monde. Les matières plastiques mettent des centaines d'années à se décomposer. Les bouteilles, emballages et sacs en plastique créent ainsi de vastes étendues dans les océans, mettant en danger les animaux et polluant l'environnement. En outre, le plastique est produit à partir de produits pétroliers et son traitement industriel libère d'autres polluants chimiques qui en sont les sous-produits.

Produire du bioplastique par un processus respectueux de l'environnement

Le bioplastique fabriqué à partir de biopolymères produits par des êtres vivants, tels que des plantes ou des bactéries, qui ne nécessitent pas de pétrole et se dégradent rapidement, constitue une solution partielle à cette 'épidémie'. Mais les biopolymères ont aussi un prix: pour les produire, il faut cultiver des plantes ou des bactéries, processus qui implique une affectation de sols fertiles et l'utilisation de quantités d’eau douce, et rend difficile le passage aux bioplastiques dans les pays pauvres en eau, comme Israël.

L'étude du Dr. Alexander Golberg et du Prof. Michael Gozin, combinant la bio-ingénierie et la chimie, surmonte cet écueil en produisant des biopolymères à partir de créatures vivant dans l'eau de mer.

Alex Golberg"La matière première que nous avons utilisée est composée d'algues multicellulaires poussant dans la mer", explique le Dr. Golberg. "Elles ont été nourries avec des archées, micro-organismes unicellulaires qui poussent également dans de l'eau très salée, ont fermenté et produit des biopolymères. C'est une avancée majeure. Il existe actuellement des usines qui produisent des bioplastiques en quantités commerciales, mais elles utilisent des plantes qui nécessitent des terres agricoles et de l'eau douce, ou bien des bactéries qui se développent également dans de l'eau douce. Le processus que nous proposons permettra aux pays qui manquent d'eau douce, tels qu'Israël, la Chine et l'Inde, de passer aux plastiques biodégradables.

Selon le Dr. Golberg, cette nouvelle étude pourrait produire une révolution qui permettra d'alléger le fardeau que constitue le plastique pour l'environnement. "Le plastique d'origine fossile est l'un des facteurs les plus polluants des océans. Mais le processus de production de plastiques biodégradables actuellement utilisé nécessite des ressources importantes, qui diminuent également, telles que les terres agricoles et l'eau douce. Un pays comme Israël, grand consommateur de plastiques, mais pauvre en terre cultivable et en eau douce, n'allouera pas de vastes zones ni de l'eau coûteuse pour produire des biopolymères. Au cours de nos recherches, nous avons pu prouver, pour la première fois, qu’il est possible de produire du bioplastique par un processus respectueux de l’environnement et tenant compte des besoins des habitants.

Cette étude novatrice, qui a duré environ un an, a été financée par le Centre de recherche régional du 'Triangle' situé à Kfar Qara, sous les auspices universitaires de l'Université de Tel-Aviv, et a bénéficié du soutien du Ministère de l'Énergie. "Pour le moment, nous essayons de comprendre comment différentes souches de bactéries provoquent une fermentation différente parmi les espèces d'algues diverses ", explique le Dr. Golberg. "Chaque algue produisant un sucre différent, le produit plastique final est également différent. Nous menons donc actuellement des recherches pour trouver les bactéries et algues les plus adaptées à la production de polymères pour fabriquer des plastiques présentant des propriétés différentes."

Une nouvelle découverte de l’université de Tel-Aviv pour renforcer les défenses immunitaires

Neta Shlezinger et le Prof. Amir Sharon du Département de Biologie moléculaire et d’Ecologie des plantes de l’Université de Tel-Aviv ont découvert la stratégie employée par les cellules immunitaires pour lutter contre les spores de moisissure que nous respirons chaque jour par milliers : elles les font se suicider. Selon les chercheurs, la compréhension de ce mécanisme  pourra conduire au développement de traitements plus efficaces pour les personnes souffrant d’un système immunitaire déficient, en raison d'une maladie ou d'une chimiothérapie, par exemple.

immune system jpgL’étude a été publiée dans la revue Science.

Le saviez-vous ? A chaque inspiration nous faisons pénétrer dans nos poumons en même temps que l'oxygène une foule de créatures microscopiques, y compris des bactéries et jusqu’à dix milliards de spores de moisissures par jour. Habituellement, le système immunitaire élimine ces spores sans qu'ils ne causent aucun dommage à notre organisme. Cependant, chez les personnes souffrant d'un système immunitaire affaibli en raison d'une maladie ou d'une chimiothérapie, par exemple, ils peuvent causer de graves problèmes.

Comment se protègent nos poumons

La présente recherche a démarré dans le laboratoire du Prof. Amir Sharon à l'Université de Tel-Aviv, lorsque le Dr. Neta Shlezinger, alors doctorante, étudiant un champignon qui attaque les plantes, a découvert le mécanisme de défense de celles-ci : plutôt que de tuer les cellules fongiques directement, elles leur font faire le travail à leur place. Les chercheurs se sont alors demandé si un mécanisme similaire existait également chez les humains. Pour le découvrir, ils ont pris comme cas d’étude le champignon Aspergillus fumigatus, cause la plus fréquente des pneumonies fongiques.

amir sharonLe « suicide » cellulaire n'est pas un événement rare. Lorsqu'il se produit de manière normative, il est essentiel pour la santé du corps. Chez les animaux, ce processus, appelé apoptose, constitue une partie importante du développement du fœtus, de la création des cellules du système immunitaire, de la lutte contre les cellules malades et plus. Les champignons connaissent un processus similaire, que les plantes et le corps humain utilisent contre eux. Lorsque les cellules fongiques entrent dans nos poumons et tentent d'attaquer le corps, elles sont immédiatement entourées par des cellules immunitaires, qui les attaquent au moyen de substances oxydantes qui réagissent avec de nombreuses molécules de la cellule invasive et lui causent de lourds dégâts. La cellule attaquée entre dans un état appelé "stress oxydatif", au cours duquel elle active un processus d'apoptose et se suicident en réponse.

Se débarasser des champignons

Pour les besoins de l’étude, les chercheurs ont créé un champignon génétiquement modifié produisant une grande quantité d'une protéine particulière capable d’inhiber le processus de suicide cellulaire, et donc plus résistante aux cellules immunitaires. La doctorante Neta Shlezinger, en collaboration avec des chercheurs aux États-Unis, a ensuite comparé en laboratoire la réaction à l’infection d’un organisme contaminé par le champignon d'origine ou par la souche résistante génétiquement modifiée.

neta shlezingerRésultat : l’organisme infecté par le champignon modifié était davantage atteint, et a eu beaucoup de mal à se débarrasser de l'infection. Par contre, le système immunitaire de l’organisme infecté par le champignon normal a facilement réussi à provoquer le suicide des cellules fongiques, ce qui lui a permis de se débarrasser du champignon invasif rapidement et efficacement.

Selon les chercheurs, l'étude offre une orientation nouvelle et intéressante pour le développement de traitements antifongiques pour les patients souffrant d’un système immunitaire déficient. « La protéine fongique qui protège contre le suicide cellulaire n'a pas de parallèle dans les cellules humaines » explique le Prof. Sharon. « C'est un grand avantage, car il sera plus facile de trouver des substances qui l'inhibent et n'affectent pas les cellules du corps ». Il a cependant souligné que la voie vers le développement de médicaments était encore longue.

« Il est très probable que le mécanisme du système immunitaire révélé par l'étude ne soit pas spécifique à l’Aspergillus fumigatus mais soit également utilisé par le corps pour lutter contre une foule d'autres champignons », souligne le Prof. Sharon. « Le cas échéant, une meilleure compréhension du mécanisme pourra nous aider à lutter contre les infections fongiques de nombreux types différents ».

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