Le placenta sous toutes les coutures

Une récente publication de la professeure Greet Kerckhofs de l’UCLouvain fait état d’une nouvelle méthode d’observation de placentas de souris durant la croissance : une histologie virtuelle en trois dimensions, non invasive et quantitative… une avancée qui fait de la professeure Kerckhofs une pionnière dans le domaine de l’histologie 3D des tissus biologiques.

Du grec ancien « ἱστός », « tissu », et « λόγος », « discours », l’histologie¹ est la branche de la biologie qui traite de la structure des tissus vivants. Au carrefour de la biologie cellulaire, de l’anatomie, de la biochimie et de la physiologie, cette science explore la microstructure des organismes vivants et le renouvellement de leurs tissus…

« Aujourd’hui encore, l’histologie est une méthode d’imagerie de référence pour analyser et quantifier à l’échelle cellulaire et microstructurale les modifications induites par les maladies et pathologies sur les tissus vivants, explique Greet Kerckhofs, professeure associée au département des Systèmes mécatroniques, dynamiques et d’énergie électrique (MEED) de l’Institut de recherche en Mécanique, matériaux et ingénierie civile (IMMC) à l’UCLouvain. Mais pour étudier des tissus non-solides et mous, comme le placenta, la technique standard en histologie est d’extraire un échantillon, de le sectionner, de colorer les sections puis de l’observer au microscope. Cette technique, très répandue, a ses limites : elle est destructive et ne permet que des observations en 2D. »

Une technique d’ingénieurs qui inspire les scientifiques biomédicaux

Avec son doctorat obtenu en 2009, Greet Kerckhofs étudie une technique en ingénierie qui pourrait s’étendre à la biologie. « L’objectif était d’optimiser l’utilisation du microfocus tomographie⁽²⁾ par rayons-X (microCT), c’est-à-dire l’utilisation d’une technique très pointue dans les procédés d’imagerie médicale, à plus haute résolution que dans les cliniques. MicroCT n'étant pas applicable à l'imagerie des tissus mous, nous avons développé nos propres colorants opaques aux rayons X, non invasifs et spécifiques aux tissus, qui nous permettent désormais, d'une manière sans précédent, de visualiser en 3D non seulement des tissus biologiques durs, mais également des tissus biologiques mous. Cette technique s’appelle le « contrast-enhanced microfocus computed tomography (CE-CT) ». Ce procédé permettrait de visualiser l’intégralité de la structure interne d’un matériau, sans le détruire, contrairement à la technique actuelle.

Dans un article publié en juin dernier dans la prestigieuse revue PNAS, Greet Kerckhofs, en étroite collaboration avec le professeur et scientifique biomédical Joris Vriens et Katrien De Clercq, doctorant, du laboratoire « Endometrium, Endometriosis & Reproductive Medecine » de la KU Leuven, élaborent cette méthode innovante (CE-CT) pour l’analyse du placenta de la souris pendant la grossesse. Grâce à cette méthode innovante, et l’approche interdisciplinaire entre ingénieurs, chimistes et scientifiques biomédicaux, comme pionniers, ils sont à la pointe dans le domaine de l’évaluation de la morphologie du placenta et de son développement en trois dimensions (3D).

Une machine de deux mètres cube à la pointe

Pour bénéficier d’observations 3D en histologie virtuelle, une machine de deux mètres cube bombarde l’échantillon de rayons X. Grâce à elle, les détails peuvent atteindre une précision inférieure au micromètre… Couplé avec les nouveaux agents de coloration que nous avons développés, cette nouvelle approche, CE-CT à haute résolution, a permis aux groupes des deux chercheurs Louvanistes de visualiser avec une précision extrême les caractéristiques du placenta de la souris développé pendant la grossesse : volumes, ratio des différentes couches, volumes des différentes populations cellulaires, les vaisseaux… Des paramètres cruciaux pour assurer une bonne évaluation statistique du tissu afin de pouvoir décrypter les changements de développement et les changements dus aux maladies, ainsi que leurs effets sur le développement embryonnaire.

Dans cette étude, les échantillons sont ex vivo et sont prélevés sur des animaux. Avec cette nouvelle méthodologie d’imagerie, il s’est avéré possible d’étudier des étapes précoces du développement embryonnaire dans un utérus de souris. Mais l’objectif est de développer la technique pour prévenir les problèmes embryonnaires au plus tôt. C’est l’observation de la vascularisation du placenta, et les fractions et compositions des différentes couches, qui permettent de comprendre si une maladie s’est développée. Dans une étude en cours, les tissus du placenta humain sont en cours d’évaluation.

« Mais notre nouvelle méthodologie pourrait avoir de nombreuses autres applications, poursuit Greet Kerckhofs. Elle pourrait s’appliquer à d’autres tissus biologiques complexes comme des tissus cardiovasculaires (artères, valves) ou les organes, comme les poumons, les reins, le foie, et bien d’autres encore… » D’ici les dix prochaines années, la chercheuse espère vivement pouvoir faire généraliser ce procédé dans les hôpitaux.

ENTRETIEN

Comment êtes-vous parvenue à concilier ingénierie et biologie ?

A l’origine en 2004, en tant qu'ingénieur des matériaux, j’étudiais des biomatériaux pour comprendre comment introduire cette technique d’observation 3D encore peu développée dans ce domaine, microCT, dans de nouveaux champs d’application. Au fil du temps, les données se sont accumulées et ont permis de traduire les résultats vers les tissus biologiques et d’affiner l’aspect interdisciplinaire de cette recherche qui mêle des aspects très techniques et chimiques à de la biologie pure. C’est l’interdisciplinarité qui nous permet aujourd’hui de faire des pas de géant. Sans elle, cette publication n’aurait pas pu voir le jour.

Cet article dans PNAS justement vous rend, vous et votre équipe interdisciplinaire, pionniers dans cette technique.

Cette méthodologie est toute nouvelle : de nombreux chercheurs sont intéressés par le sujet tout en ayant soulevé l’interdisciplinarité de ces recherches. C’est notre force : un environnement multidisciplinaire riche. Seuls deux ou trois groups dans le monde travaillent sur le sujet de manière équivalente. Cette interdisciplinarité est très rare. En tant qu’ingénieurs, nous ne pouvons faire progresser ce type de techniques que lorsque nous avons une question biologique claire à résoudre et que nous bénéficions du soutien total des scientifiques biomédicaux et de nos collègues cliniciens.

LEXIQUE
⁽¹⁾Branche de la biologie qui traite de la microstructure des tissus vivants. En deux siècles, de sa naissance à aujourd'hui, l'histologie a vécu trois révolutions : la révolution fondatrice issue de la microscopie optique et de la théorie cellulaire ; la révolution engendrée par la microscopie électronique ; la révolution décisive de la biologie moléculaire. Ces trois périodes cruciales dans l'histoire de cette discipline correspondent à une plongée des investigations vers des échelles d'observation de plus en plus fines correspondant, en fait, à des niveaux d'organisation du vivant de plus en plus élémentaires.
⁽²⁾La tomographie est une technique d’imagerie, très utilisée dans l’imagerie médicale, ainsi qu’en géophysique, en astrophysique et en science/mécanique des matériaux. Cette technique permet de reconstruire le volume d’un objet à partir d’une série de mesures effectuées depuis l’extérieur de cet objet. Elle donne un cliché non pas de l'organe total mais d'une coupe horizontale, verticale ou oblique.

Liens utiles

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Coup d’œil sur la bio de Greet Kerckhofs

La professeure Greet Kerckhofs a obtenu son doctorat en ingénierie des matériaux à la KU Leuven en 2009. Elle est membre de Prometheus, la section d’analyse des tissus et des squelettes (comme l’imagerie, les tests biomatériaux et le bioprocessing). Elle y contribue aujourd’hui activement à développer l’interdisciplinarité de la recherche. Depuis 2017, la professeure Kerckhofs a été nommée professeure assistanet au Institute of Mechanics, Materials and Civil Engineering à l’UCLouvain au sein du laboratoire de Biomécanique. Au cours de son doctorat, elle a développé le « contrast-enhanced microfocus computed tomography (CE-CT) ». Un procédé qui permettrait de visualiser l’intégralité de la structure interne d’un matériau, sans le détruire, contrairement à la technique actuelle. Devenue pionnière dans le domaine, elle développe des collaborations à l’international et son groupe de recherche, actuellement constitué de six doctorants, deux post-doctorants et un technicien de laboratoire, met en place l’avenir de l’histologie 3D.