Les organoïdes de moelle osseuse humaine modélisent les cancers du sang et la production de cellules immunitaires

La moelle osseuse est le moteur de l'organisme pour la production de cellules sanguines et immunitaires, organisée en niches spécialisées impliquant des cellules stromales mésenchymateuses, la vascularisation, des ostéoblastes et des adipocytes. La perturbation de ces niches est à l'origine d'un large éventail de cancers du sang et de syndromes d'insuffisance médullaire. Cependant, la moelle osseuse humaine est difficile d'accès, et les modèles animaux reproduisent mal la biologie spécifiquement humaine. Les modèles in vitro existants reposent sur des cellules de donneurs primaires, ce qui limite la reproductibilité et la mise à l'échelle, et aucun n'a capturé simultanément l'hématopoïèse lymphoïde et myéloïde ainsi que la pleine diversité stromale.

Pour y remédier, des chercheurs ont développé comBO (combined bone and lympho-myeloid bone marrow organoid), dérivé entièrement de cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSCs). La différenciation s'est déroulée par des cocktails séquentiels de cytokines sous 5 % d'oxygène physiologique pendant 20 jours, suivie d'une phase d'induction lymphoïde introduisant l'IL-7, puis d'une phase de maturation à 20 % d'oxygène jusqu'au jour 35. Point crucial, les organoïdes ont été cultivés dans des échafaudages de microgels granulaires plutôt que dans des hydrogels en masse, améliorant considérablement la mise à l'échelle, la reproductibilité et l'efficacité d'extraction.

La cytométrie en flux et le séquençage de l'ARN en cellule unique (scRNA-seq) portant sur plus de 45 000 cellules issues de quatre différenciations indépendantes ont confirmé la génération de HSPCs, monocytes, neutrophiles, cellules dendritiques, cellules érythroïdes, mégacaryocytes, progéniteurs de lymphocytes T, cellules NK, progéniteurs de lymphocytes B, cellules endothéliales sinusoïdales/artérielles/capillaires, MSCs, progéniteurs CAR, ostéoblastes, progéniteurs ostéolinéaires, adipocytes et ostéoclastes précoces. Les cellules stromales exprimaient des facteurs clés de soutien hématopoïétique, notamment CXCL12, KITLG, IL7, DLL4, JAG1/2 et ANGPT1/2. Les analyses de trajectoire ont confirmé une véritable différenciation HSC/MPP en branches à la fois myéloïde et lymphoïde. L'intégration avec un atlas de moelle osseuse humaine adulte a démontré une forte homologie transcriptionnelle, les cellules comBO ressemblant davantage à la moelle osseuse adulte qu'à la moelle fœtale au jour 35.

Pour valider l'utilité de la modélisation des maladies, les chercheurs ont greffé des cellules primaires de patients atteints de myélome multiple dans des comBOs, créant ainsi des « chimeroïdes ». Ceux-ci ont fidèlement reproduit les caractéristiques de la biologie du myélome : inflammation stromale, reprogrammation métabolique des MSCs et blocage de la maturation des ostéoblastes imitant la maladie osseuse du myélome. L'analyse des interactions récepteur-ligand a identifié la signalisation du facteur inhibiteur des macrophages (MIF) comme médiateur central de l'inflammation de niche induite par le myélome. L'inhibition pharmacologique du MIF a réduit la signalisation inflammatoire au sein de la niche organoïdale et supprimé la prolifération des cellules myélomateuses, identifiant ainsi le MIF comme cible thérapeutique potentielle.

Des essais de réensemencement sériel d'organoïdes ont démontré un potentiel lympho-myéloïde durable à long terme, soulignant la robustesse fonctionnelle des comBOs. Bien que cette étude se soit concentrée sur le myélome multiple à titre de preuve de concept, la plateforme est conçue pour être largement applicable à d'autres troubles hématologiques et affections immunologiques. Les comBOs représentent une avancée significative vers une modélisation de la moelle osseuse humaine physiologiquement fidèle et évolutive, au service tant de la recherche mécanistique que de la découverte de médicaments translationnelle.