L'embryogenèse, un processus fascinant et complexe, est la réalisation du programme génétique inscrit dans les chromosomes de l'œuf fécondé, le zygote. Ce voyage, qui débute avec une seule cellule, aboutit à la formation d'un organisme multicellulaire complexe, orchestré par une série de divisions cellulaires, de différenciations et de mouvements cellulaires précis.
Les Premières Étapes : De la Fécondation à la Morula
La fécondation, point de départ de ce périple, se déroule dans la portion ampoulaire de la trompe utérine. C'est là que les deux pronuclei, mâle et femelle, se rencontrent, fusionnent et initient la première division du zygote. Ces divisions cellulaires successives, rapides et synchronisées, aboutissent à la formation d'un amas cellulaire compact appelé morula, au stade de 16 blastomères. Il est important de noter que ces divisions se font à volume constant, la morula conservant à peu près la même taille que l'ovule initial.
L'Implantation et la Formation des Feuillets Embryonnaires
La morula migre ensuite vers l'utérus, où elle s'implante dans le tiers supérieur de la paroi utérine, plus précisément dans sa portion antérieure. Cette implantation est un processus délicat qui implique plusieurs étapes clés. D'abord, l'éclosion, suivie de l'apposition de la morula contre la muqueuse utérine. Ensuite, la sécrétion de métalloprotéases, des enzymes qui dégradent la matrice extracellulaire, permettant ainsi à l'embryon de s'insinuer dans la muqueuse.
Une fois implantées, les cellules trophoblastiques, qui entourent l'embryon, se différencient en deux types cellulaires distincts : le syncytiotrophoblaste, qui sécrète l'hormone hCG (gonadotrophine chorionique humaine), et le cytotrophoblaste. Au niveau du bouton embryonnaire, une différenciation supplémentaire se produit, donnant naissance à deux couches cellulaires : l'entoblaste et l'épiblaste.
Entre le lécithocèle primaire et le cytotrophoblaste, des cellules mésenchymateuses apparaissent. Au sein de ce mésenchyme, des cavités se forment et fusionnent, donnant naissance à une troisième cavité : le coelome extra-embryonnaire.
Lire aussi: Huit astuces essentielles
La Gastrulation : Mise en Place des Trois Feuillets Embryonnaires
La gastrulation est une étape cruciale du développement embryonnaire, qui marque la mise en place des trois feuillets embryonnaires fondamentaux : l'ectoderme, le mésoderme et l'endoderme. Ces feuillets sont à l'origine de tous les tissus et organes de l'organisme.
Ce processus complexe débute par l'apparition de la ligne primitive, un épaississement de l'épiblaste qui va servir d'axe embryonnaire. La ligne primitive apparaît vers le 13e jour du développement et marque le début de la gastrulation. Simultanément, les membranes bucco-pharyngienne (future bouche) et cloacale (futurs orifices anaux et uro-génitaux) se forment.
Les cellules épiblastiques migrent ensuite de manière crâniale et latérale à travers la ligne primitive, s'insérant entre l'épiblaste et l'entoblaste pour former le mésoblaste, le troisième tissu embryonnaire. Cette migration aboutit à la formation d'un disque tridermique, constitué des trois feuillets embryonnaires. La migration crâniale des cellules forme le mésoblaste axial.
La Neurulation : Formation du Système Nerveux
La neurulation est le processus par lequel le système nerveux central se forme à partir de l'ectoderme. Elle débute par la surélévation de l'ectoblaste, formant la plaque neurale. Cette étape commence à la 4ème paire de somites. La plaque neurale se replie ensuite sur elle-même pour former le tube neural, qui donnera naissance au cerveau et à la moelle épinière.
Environ 3 semaines après la fécondation, l’embryon est un amas de cellules sphériques organisé en trois couches. Certaines cellules, sous l’exposition de molécules particulières, s’orientent vers un destin neuronal. C’est-à-dire qu’elles seront uniquement capables de former le tissu nerveux et de donner naissance aux neurones ou cellules gliales. Ces cellules sont issues d’une des couches de l’embryon et forment ce qu’on appelle la plaque neurale. Après la fermeture du tube neural qui se déroule aux environs de la 4ème semaine, l’organisation primaire du système nerveux central se met en place selon l’axe antéro-postérieur du tube. La partie antérieure du tube deviendra le cerveau antérieur, qui comprend les hémisphères cérébraux, le thalamus et l’hypothalamus et les ganglions de la base. Les cellules situées au centre deviendront le mésencéphale, une structure jouant un rôle important dans les réflexes visuels et auditifs. La partie la plus à l’arrière du tube donnera naissance au rhombencéphale composé du bulbe rachidien, du pons et du cervelet.
Lire aussi: Enjeux de la PMA et de la Précarité
Les futurs neurones commencent à se multiplier très tôt pour occuper l’espace dans le cerveau en devenir. Leur vitesse de multiplication atteint jusque 4000 à 5000 neurones par seconde5. Ils naissent dans la partie la plus interne du tube appelée « la zone ventriculaire » car cette zone deviendra par la suite les ventricules du cerveau, à savoir les cavités internes du cerveau dans lesquelles circule le liquide céphalorachidien. Les neurones tout juste produits voyagent jusqu’à leur destination finale. Cette migration est essentielle pour la formation des circuits neuronaux complexes qui sous-tendent les fonctions cognitives et comportementales de l’enfant. Les neurones migrent selon un sens inversé, à savoir que les plus anciennes cellules se retrouvent dans la couche la plus profonde du cortex et les plus récentes dans les couches externes. Une fois arrivé à destination, le neurone se différencie selon sa localisation dans le cerveau, c’est-à-dire qu’il se spécialise pour remplir des fonctions spécifiques. Le neurone doit ensuite communiquer avec les neurones avoisinants par l’intermédiaire de connexions chimiques ou électriques : les synapses. Pour cela il va développer des axones, et des dendrites. Ce processus nommé synaptogénèse est extrêmement important pour la formation des circuits neuronaux, créant les premières activités cérébrales.
Au cours du développement, de nombreuses cellules neurales (neurones ou cellules gliales) sont produites en surplus. Ces cellules seront éliminées par un processus de mort cellulaire programmée appelé apoptose. Il s’agit d’un mécanisme physiologique qui permet « d’affiner » les circuits neuronaux en développement. Environ la moitié des neurones produits meurent par apoptose. A noter que jusqu’au stade de la synaptogenèse, les étapes du développement du cerveau sont largement déterminées par les gènes.
Le dernier processus impliqué dans le développement du cerveau est appelé myélinisation. Au bout de trois mois de gestation, le cerveau subit une croissance rapide et sa taille est multipliée. À ce stade, le cerveau antérieur se développe plus rapidement que les autres régions. Vers six mois, le cortex cérébral commence à se séparer en lobes qui se spécialiseront par la suite pour effectuer des fonctions spécifiques. Le cortex devient la structure prédominante. Au cours du deuxième trimestre (aux environs de la 25ème semaine de gestation), les six couches du cortex sont complètes. Toutefois, le cortex commence à être fonctionnel à partir de la fin du troisième trimestre.
Les fonctions cérébrales ne se développent pas au même rythme. Ainsi les fonctions sensorimotrices, c’est-à-dire impliquant les sens et sensations ainsi que les activités motrices sont les premières à être fonctionnelles. L’apparition des premières connexions vers la 7ème semaine de grossesse permet au fœtus de se mouvoir de manière spontanée et visible par ultrasons. Toutefois, le cortex n’étant pas encore mature, ces mouvements ne sont pas volontaires à ce stade. Les sens commencent à se développer dès la huitième semaine, avec la sensibilité au toucher, puis peu après l’odorat se développe également. Ensuite place au goût, à l’ouïe et la vue. Le bébé peut alors bouger, entendre, goûter au liquide et ressentir les pressions exercées de l’extérieur. Une étude montre que le fœtus va se mouvoir en réaction aux sons environnant dès le début du deuxième trimestre7. Ces premières fonctions correspondent aux régions cérébrales qui se développent plus rapidement et qui sont responsables du traitement des stimuli externes, tels que les sons et les mouvements. Ces régions sont également les premières à être recouvertes de myéline.
Si le développement du cerveau est perturbé lors de la grossesse, cela peut entraîner des conséquences sévères sur le fonctionnement du cerveau à long terme. Certains troubles neurodéveloppementaux comme l’épilepsie sont associés à des anomalies dans la migration neuronale : les cellules ne se trouvent pas à leur place8. Des études ont également suggéré que l’autisme pourrait être lié à des dysfonctionnements dans la synaptogénèse ou dans la formation des différentes couches du cortex10, bien que les causes exactes ne soient pas encore claires. Ces perturbations sont largement influencées par des stimuli environnementaux.
Lire aussi: Division cellulaire et insuline
Le développement du cerveau in utero est influencé par de nombreux facteurs environnementaux, tels que la nutrition maternelle, le stress maternel, l’exposition à des toxines, des inflammations ou encore la consommation d’alcool et de drogues. Par exemple, la prise d’alcool et de drogue serait impliquée dans une mauvaise migration neuronale. Il est important de poursuivre les recherches sur le développement du cerveau in utero, en particulier pour mieux comprendre les facteurs qui peuvent avoir un impact négatif et pour développer des stratégies de prévention et de traitement qui pourraient bénéficier à plusieurs troubles neurodéveloppementaux.
La Délimitation : De l'Embryon Disque à l'Embryon Cylindrique
Un des événements majeurs de cette période est la délimitation de l'embryon, c'est-à-dire le passage d'un disque tridermique à un embryon sensiblement cylindrique. À la fin de la délimitation, l'aspect externe des zygotes des différentes espèces est à peu près similaire.
La délimitation ventrale implique l'enroulement des bords latéraux du disque embryonnaire, incorporant une partie du lécithocèle secondaire, qui deviendra l'intestin moyen. Les bords du disque se regroupent autour du lécithocèle secondaire, le pinçant et constituant ainsi l'ébauche du cordon ombilical.
La délimitation crâniale, quant à elle, est due à la croissance des structures encéphaliques primitives dans la région crâniale, amenant la membrane oro-pharyngienne et l'ébauche cardiaque en position ventrale. La délimitation caudale, un peu plus tardive, permet également l'incorporation du lécithocèle secondaire, qui formera l'intestin postérieur.
À la fin de la quatrième semaine, l'embryon prend la forme d'un tube. Les bourgeons des membres se mettent en place à partir des métamères : 6 pour le membre supérieur et 5 pour le membre inférieur. Une anomalie de ce processus peut entraîner un omphalocèle, un sac herniaire recouvert par l'épithélium amniotique du cordon ombilical.
La Différenciation Musculaire : Un Exemple de Spécialisation Cellulaire
Le tissu musculaire est un autre exemple de spécialisation cellulaire qui se produit au cours du développement embryonnaire. Il est constitué de fibres allongées, cylindriques, plurinucléées et organisées en faisceaux entourés par une gaine de tissu conjonctif. On distingue différents types de fibres musculaires, selon leur métabolisme énergétique (glycolyse anaérobie ou cycle de Krebs aérobie) et leur vitesse de contraction (lente ou rapide).
Les cellules musculaires se développent chez l'embryon à partir de la région somitique. Les cellules myogéniques, non encore différenciées, se multiplient activement au cours du cycle de prolifération. Les cellules qui quittent ce cycle entrent ensuite dans la phase de différenciation pour se transformer en myoblastes. Ces derniers fusionnent pour donner des myotubes, qui évoluent enfin en fibres musculaires. La différenciation métabolique et fonctionnelle est sous le contrôle de l'innervation et des hormones.
Chez les bovins, la différenciation musculaire se produit en totalité durant la vie fœtale. Le premier tiers de la vie fœtale est caractérisé par la présence de myotubes, une multiplication très rapide des noyaux et une augmentation du nombre des myotubes. Au cours du deuxième tiers de la vie fœtale, les myotubes évoluent en fibres musculaires. La multiplication des noyaux est encore très intense, mais l'augmentation du nombre de fibres se ralentit. C'est à ce stade qu'apparaissent les différents types contractiles de fibres. À partir du troisième tiers de la vie fœtale, le nombre de fibres reste stable, tandis que le nombre de noyaux continue de s'accroître, et cela presque jusqu'au stade adulte, grâce à l'incorporation de nouveaux noyaux issus des cellules satellites. La synthèse protéique est très intense chez le fœtus et reste à un niveau élevé après la naissance. La croissance fœtale représente une phase primordiale de la croissance musculaire, avec un accroissement important du nombre de fibres et surtout du nombre de noyaux, ainsi qu'une synthèse protéique très rapide.
Cellules Souches Embryonnaires : Un Potentiel Thérapeutique
Issues de l’embryon à un stade très précoce de son développement, les cellules souches embryonnaires sont douées de deux capacités importantes : celle de se multiplier à l’infini, par simple division (autorenouvèlement), et celle de donner naissance à tous les types de cellules de l’organisme (pluripotence). Ces propriétés ouvrent de nombreuses perspectives, non seulement pour la médecine régénérative, mais également pour l’étude des maladies génétiques et la mise au point de traitements.
Les cellules souches embryonnaires humaines intéressent les chercheurs à plus d’un titre. Elles permettent en effet d’acquérir de nouvelles connaissances sur :
- Le développement normal et pathologique humain. A partir de cellules issues d’embryons sains ou malades, les chercheurs peuvent étudier les différents stades du développement ainsi que le devenir des différentes cellules qui composent l’organisme.
- Des maladies génétiques rares, en utilisant des cellules porteuses d’une altération génétique associée à une telle maladie. Ces cellules servent de modèle cellulaire de la maladie et permettent notamment de tester des médicaments.
- Le fonctionnement des cellules de différents organes et les maladies associées. Pour cela, il est nécessaire d’induire la différenciation des cellules souches embryonnaires en cellules spécialisées à étudier (neurones, cellules cardiaques, hépatocytes, cellules du pancréas, cellules musculaires…). Cette approche est particulièrement utile quand il s’agit de travailler sur des cellules qui se renouvellent peu (ou pas) dans l’organisme et qui sont difficilement accessibles, comme les neurones.
Par ailleurs, les cellules souches embryonnaires humaines peuvent être utilisées en thérapie cellulaire, pour régénérer un organe ou produire des substances nécessaires à rétablir une fonction biologique. Elles constituent un réservoir inépuisable de cellules qu’il est possible de différencier en cellules d’intérêt thérapeutique à délivrer à un patient.
Les cellules souches embryonnaires sont prélevées sur des embryons entre le 5e et le 7e jour suivant une fécondation in vitro (stade blastocyste du développement embryonnaire). L’embryon se présente alors comme un ballon contenant un autre petit ballon accroché à sa paroi interne : la masse cellulaire interne. C’est dans cette masse que sont localisées la trentaine de cellules pluripotentes qui donneront toutes les cellules de l’organisme. Ces cellules sont prélevées et placées en culture. Dans des conditions adéquates, elles se multiplient alors spontanément en conservant leur état indifférencié. Mais en modifiant les conditions de culture (utilisation de milieux de culture spécifiques), il est possible d’induire et d’orienter leur différenciation vers tel ou tel type de cellules spécialisées (neurones, cardiaques, musculaires…).
En pratique, les cellules souches embryonnaires sont prélevées sur des embryons surnuméraires obtenus par fécondation in vitro et qui ont été congelés en prévision d’un projet parental finalement abandonné. Les scientifiques travaillent le plus souvent à partir de lignées détenues et commercialisées par des laboratoires, évitant ainsi de sacrifier inutilement des embryons. Le fait que les cellules pluripotentes se multiplient à l’infini offre un réservoir inépuisable de cellules. Cependant, il est parfois nécessaire de créer une nouvelle lignée pour étudier une pathologie. Dans ce cas, les cellules souches proviennent d’un embryon porteur de la maladie question, identifié dans le cadre d’un diagnostic préimplantatoire (DPI) pratiqué suite à une fécondation in vitro.
tags: #multiplication #cellulaire #embryon #développement