Pour mieux comprendre les maladies cardiaques, des chercheurs modélisent le cœur en 3D

Des chercheurs de l'Université Thomas Jefferson en Pennsylvanie ont établi une carte en 3D des neurones du cœur d'un rat mâle pour en apprendre davantage sur les maladies cardiaques. Leurs travaux ont été publiés dans la revue scientifique iScience le 26 mai 2020.

Ce projet fait partie d'un programme de recherche du National Institutes of Health (NIH) qui vise à promouvoir le développement de dispositifs thérapeutiques qui modulent l'activité électrique des nerfs pour améliorer le fonctionnement des organes.

Le cœur possède son "petit cerveau"

Le fonctionnement de notre cœur repose sur le centre de contrôle de notre corps - le cerveau - via un réseau complexe de nerfs. Lorsque cette communication est perturbée, cela entraîne des maladies cardiaques comme des crises cardiaques, des morts subites d'origine cardiaque et des problèmes d'approvisionnement en sang. Pour sécuriser ce système, le cœur possède son propre "petit cerveau" qui surveille et corrige toute perturbation locale de la communication. Il est essentiel à la santé cardiaque et peut même protéger l'organe en cas d'infarctus.

Mais la science n'est pas encore fixée sur le fonctionnement exact de ce système nerveux cardiaque. L'organisation des neurones qui composent ce système est encore mal comprise : nous ne savons pas où ils se trouvent dans le cœur, comment ils sont reliés entre eux et quelles sont leurs propriétés moléculaires. "Cela représente un grand vide dans notre compréhension qui se situe entre la neurologie et la cardiologie", déclare le coauteur principal et chercheur en biologie computationnelle James Schwaber. "Notre objectif était de combler ce fossé en fournissant un cadre anatomique à ce système nerveux et une base pour comprendre son rôle dans la santé cardiaque."

Une carte routière du système nerveux cardiaque

L'étude s'est appuyée sur les technologies et l'expertise de différents groupes de recherche et de partenaires industriels, comme Strateos et MBF Biosciencen, pour créer un pipeline à double approche. La première consistait en une nouvelle technique d'imagerie appelée "Knife-Edge Scanning Microscopy" (KSEM) qui a permis aux chercheurs de construire un modèle 3D précis de l'ensemble du cœur d'un rongeur. Il s'agit de la première utilisation de cette technologie pour la recherche cardiaque. La deuxième approche a utilisé la "microdissection par capture laser", une technologie pour  isoler des cellules individuelles spécifiques ou des zones entières de tissus à partir d'une grande variété d'échantillons. Elle a permis d'échantillonner des neurones individuels en vue d'une analyse de l'expression génétique et pour cartographier précisément leur position individuelle dans la structure 3D du cœur. 

Vue postérieure du coeur de rat reconstruit en 3D

"Le seul autre organe pour lequel il existe une carte 3D aussi détaillée et à haute résolution est le cerveau", explique le coauteur et chercheur en biologie cellulaire et d'anatomie Raj Vadigepalli. "En fait, ce que nous avons créé est la première carte routière complète du système nerveux du cœur."

Vue supérieure du système nerveux du coeur

De nouvelles découvertes

Grâce à cette modélisation 3D, les scientifiques ont découvert que les neurones qui composent le système nerveux cardiaque sont positionnés près de certaines structures cardiaques clés comme le nœud sinusal qui contrôle le rythme cardiaque. "Nous savions que le nœud sinusal est important pour créer le rythme ou la fréquence cardiaque", explique Jonathan Gorky, un des auteurs de la publication. "Voir le regroupement de neurones autour de ce nœud est une chose que nous avons toujours soupçonnée mais dont nous n'étions pas sûrs. Il était vraiment intéressant de voir les preuves physiques et la répartition précise des neurones par rapport aux structures anatomiques du cœur."

L'analyse de l'expression génétique de chaque neurone a également mis en évidence une diversité d'identités moléculaires ou de phénotypes jusqu'alors inconnue. "Nous avons découvert qu'il y a plusieurs types différents de neuromodulateurs et de récepteurs présents", explique Raj Vadigepalli. "Cela signifie que nous n'avons pas seulement des neurones dans le cœur qui arrêtent et activent l'activité mais aussi ceux qui peuvent régler avec précision cette activité."

Prochaine étape : le cœur humain

En comparant des cœurs de rats mâles et femelles, les chercheurs ont également constaté des différences liées au sexe dans la façon dont les neurones sont organisés, à la fois dans l'espace et par leur expression génétique. "Cela pourrait nous aider à expliquer certaines des différences entre les maladies cardiaques des hommes et des femmes", explique Alison Moss doctorante en biochimie et pharmacologie moléculaire. "Nous essayons maintenant de créer un modèle 3D du système nerveux d'un cœur de porc, qui est encore plus comparable anatomiquement au cœur humain, pour explorer ces questions plus en profondeur.".

Désormais, "l'espoir est de créer à terme une carte en 3D du cœur humain", conclut James Schwaber. "Nous avons créé les bases d'une possibilité de futures études."