Développement de l'embryon humain : découvrez les étapes clés des premières divisions à l'organogenèse

L'étude du développement embryonnaire humain est un domaine complexe, notamment en raison de considérations éthiques. Cependant, les avancées scientifiques, telles que la fécondation in vitro (FIV), ont permis d'observer et de comprendre les premières étapes du développement avec une précision croissante. Cet article explore les différentes phases du développement embryonnaire humain, des premières divisions cellulaires à la mise en place des organes, en passant par la formation des annexes embryonnaires et les mécanismes moléculaires impliqués.

Étude du développement embryonnaire humain

Pour des raisons évidentes d’éthique, l’étude du développement humain est plus compliqué que l’étude de celui des animaux et des plantes. Cependant, les premières étapes pré-implantatoires ont pu être étudiées précisément depuis la mise au point de la fécondation in vitro à la fin des années 1970. L'amélioration des conditions de culture de « vrais » embryons humains issus de fécondation in vitro a repoussé les limites jusqu’à 14 jours de développement qui sont maintenant pleinement accessibles à l’expérimentation in vitro (dans les limites des règlements éthiques des différents pays). En France, il est interdit de générer des embryons pour la recherche et seuls des embryons surnuméraires d’un projet de fécondation in vitro pour un couple peuvent être utilisés (avec le consentement du couple). Il est aussi interdit de réimplanter des embryons qui auraient été modifiés, notamment génétiquement (par exemple par la méthode CRISPR/Cas9).

Les premières étapes du développement embryonnaire

Le début du développement humain peut être divisé en plusieurs étapes clés :

Clivages précoces (1 à 3 jours): Après la fécondation, l'œuf fécondé, ou zygote, subit une série de divisions cellulaires rapides sans augmentation de la taille globale de l'embryon. Ces divisions produisent d'abord 2, puis 4, puis 8 cellules, appelées blastomères.
Morula (4 jours): Les blastomères continuent de se diviser et se compactent pour former une sphère compacte de cellules, appelée morula. La compaction des cellules embryonnaires est une étape cruciale au bon développement de l’embryon. Le quatrième jour après la fécondation, les cellules se rapprochent les unes des autres avant de donner à l’embryon sa première forme. Une compaction défaillante empêche la formation de la structure qui garantit son implantation dans l’utérus maternel. Les difficultés de compaction ne seraient donc pas dues à un manque d’adhérence entre les cellules embryonnaires, contrairement à ce qui était supposé jusqu’alors, mais à des défauts de contractilité des cellules.
Blastocyste (5-6 jours): La morula se transforme en blastocyste, une structure caractérisée par la formation d'une cavité remplie de liquide, appelée blastocèle. Les cellules du blastocyste se différencient en deux types cellulaires distincts : le trophectoderme (qui formera les annexes embryonnaires, notamment le placenta) et la masse cellulaire interne (MCI), également appelée embryoblaste (qui donnera naissance à l'embryon proprement dit).
Implantation (7-8 jours): Le blastocyste se fixe à la paroi utérine, ou endomètre, et s'y implante. La masse cellulaire interne se différencie en deux couches : l'épiblaste et l'hypoblaste (ou endoderme primitif). Le trophectoderme se différencie en trophectoderme mural et polaire.

Développement des annexes embryonnaires

Parallèlement au développement de l'embryon, des structures extra-embryonnaires essentielles se forment pour assurer sa survie et sa croissance :

Le syncytiotrophoblaste (à partir du 10e jour): Issu du trophectoderme, il s'insère dans l'endomètre maternel et permet l'établissement des échanges entre la mère et l'embryon.
La cavité amniotique (à partir du 10e jour): Une cavité remplie de liquide amniotique se forme autour de l'embryon, le protégeant des chocs et des variations de température.
Le mésoderme extra-embryonnaire (à partir du 10e jour): Il contribue à la formation des vaisseaux sanguins qui assurent les échanges entre l'embryon et la mère.
Le sac vitellin secondaire: assure l’apport de nutriments à l’embryon et présente une activité hématopoïétique.
L’allantoïde et du chorion: Le mésoderme extraembryonnaire a participé à la formation de l’allantoïde et du chorion, qui fait partie du placenta et assure les échanges avec les tissus maternels.

Gastrulation : la mise en place des trois feuillets embryonnaires

La gastrulation est une étape fondamentale du développement embryonnaire qui se déroule autour du 16e jour après la fécondation. Elle se caractérise par la formation de la ligne primitive, une structure transitoire qui marque l'apparition du mésoderme intra-embryonnaire. Au cours de la gastrulation, les cellules de l'épiblaste migrent à travers la ligne primitive et s'insèrent entre l'épiblaste et l'hypoblaste, donnant naissance aux trois feuillets embryonnaires :

L'ectoderme: le feuillet le plus externe, qui donnera naissance à la peau, au système nerveux et aux organes des sens.
Le mésoderme: le feuillet intermédiaire, qui donnera naissance aux muscles, aux os, au système circulatoire et aux organes excréteurs.
L'endoderme définitif: le feuillet le plus interne, qui donnera naissance au système digestif, au système respiratoire et aux glandes annexes.

Organogenèse

L’organogénèse est l’étape qui apparaît dès le 2e mois de grossesse. Les organes se développent très vite. Vers la 5e semaine de grossesse, le cerveau antérieur se divise en 2. Vers la 6e semaine, le conduit auditif, les vertèbres et les muscles dorsaux naissent. Son estomac à sa forme définitive. Vers la 7e semaine de grossesse, les membres continuent leur croissance. Les sillons entre les doigts apparaissent sur les mains et les pieds. En fin de 8e semaine, l’organogénèse est presque achevée. Les organes sont différenciés. Leur croissance va se poursuivre durant la phase fœtale.

Différences entre le développement embryonnaire humain et celui de la souris

Bien que le développement embryonnaire partage de nombreux points communs entre les espèces, il existe également des différences notables entre l'homme et la souris. On observe des différences, notamment dans la manière dont se forme l’hypoblaste et dans la forme générale de l’embryon juste avant et pendant la gastrulation (l’embryon de souris a la forme d’un cylindre alors que l’embryon humain a une forme de disque avec 2 couches cellulaires). Egalement, la spécification de l’endoderme primitif chez l’homme ne dépend pas de la voie de signalisation FGF2 contrairement à ce qu’il se passe chez la souris et l’expression de CDX2 qui est le marqueur du trophectoderme est activé au stade blastocyste chez l’Homme alors qu’il est activé plus tôt, dès le stade morula chez la souris.

Importance des cellules souches pluripotentes

Les cellules souches pluripotentes que ce soit les cellules embryonnaires souches (ES) issues des blastocytes ou les cellules induites iPS sont maintenant une grande ressource pour connaître les étapes du développement embryonnaire humain et pouvoir expérimenter sur ces étapes. Les iPSC présentent la capacité de s’auto-renouveler et de se différencier en différents types de cellules (par exemple, en cardiomyocytes, en neurones ou en hépatocytes selon les protocoles utilisés).

Modélisation du développement embryonnaire

Divers systèmes 3D ont été développés pour modéliser les maladies humaines dans des conditions qui imitent plus étroitement l’environnement physiologique, notamment les organoïdes et les cultures dans des systèmes microfluidiques (« puce cellulaire »). A l’avenir, la convergence de ces systèmes 3D et la liaison de plusieurs organes avec une vascularisation artificielle permettront de modéliser les processus dynamiques temporels dans le corps vivant et la pathogenèse de la maladie, ajoutant une quatrième dimension.

Warmflash et al., 2014 ont rapporté que les cellules ES humaines cultivées dans des micro-disques recouverts de matrice extracellulaire (ECM) et stimulées avec BMP4, se différencient de manière reproductible en anneaux cellulaires, exprimant des marqueurs d’ectoderme, mésoderme, endoderme et de trophectoderme, disposés à partir du centre vers la périphérie. Les cellules mésendodermiques dans ces cultures présentent des caractéristiques de transitions épithélio-mésenchymateuses. Des gastruloïdes humains ont pu être obtenus et permettre l’étude des voies de signalisation BMP, Nodal et Wnt durant une période de développement jusqu’alors inaccessible.

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