Introduction
Le développement embryonnaire est un processus complexe et finement orchestré qui aboutit à la formation d'un organisme viable. Parmi les outils permettant d'explorer ce processus, la microscopie électronique se révèle particulièrement précieuse. Cet article explore l'apport de la microscopie électronique à l'étude du développement embryonnaire, en se concentrant sur les événements clés qui se déroulent au cours des 21 premiers jours.
MIMA2 : Une Plateforme d'Imagerie de Pointe
L'Infrastructure Scientifique Collective (ISC) MIMA2 de l'INRAE (Microscopie et Imagerie des Micro-organismes, Animaux et Aliments) est une plateforme dédiée à la microscopie et à l'imagerie. Elle offre une variété de méthodes personnalisables et une large gamme de services, allant du service tout inclus au travail autonome. MIMA2 regroupe des équipements complémentaires offrant la possibilité de travailler de l'échelle nanoscopique à l'animal entier, sur des échantillons vivants, pathogènes, ou préparés. Elle est ouverte à toutes demandes extérieures sur tous les sujets d’études dans la limite de la capacité de ses instruments. Elle est localisée sur le centre INRAE Ile-de-France-Jouy-en-Josas-Antony (78).
Gouvernance et Organisation
MIMA2 est gérée par une équipe de professionnels expérimentés, comprenant un responsable opérationnel (V. Costache) et des responsables scientifiques (A. Couturier-Tarrade & R. Briandet). La plateforme est supervisée par trois comités : un comité de pilotage, un comité de direction et un Comité Scientifique des Utilisateurs.
MIMA2 en Chiffres
Créée en 2003, MIMA2 dispose d'un équipement de microscopie électronique en transmission (MET), d'un équipement de microscopie électronique à balayage (MEB). La plateforme comprend également 10 microscopes, 17 équipements d'imagerie et 3 unités de stockage de données. Elle compte plus de 300 utilisateurs, dont 40 collaborateurs industriels. MIMA2 propose des actions de formation et de tutorat (5/an) et a publié 130 publications (2015-2018).
Expertise Scientifique Pluridisciplinaire
MIMA2 propose son savoir-faire et son espace laboratoire pour les échantillons qui y seront traités (compétences vétérinaires et chirurgicales, protocoles et automates de préparation, possibilité de travailler en environnement confiné L2, en autonomie ou en prestation). Elle possède une expertise scientifique pluridisciplinaire : développement de l’embryon et de ses annexes, cardiologie, composition en tissus des mammifères modèles biomédicaux ou d’intérêt agronomique, les micro-organismes et les matrices alimentaires.
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Ouverture sur l'Extérieur
De nombreuses unités du campus de Jouy-en-Josas utilisent déjà l'ISC sur l'un ou l'autre des sites. De nombreuses collaborations ont été développées avec l'extérieur, ce qui permet de maintenir des compétences et des techniques de pointe et de les adapter à nos objets de recherche. Parmi les utilisateurs extérieurs, citons l'Institut Pasteur, divers laboratoires du CNRS, et des entreprises. Le site est spécialisé dans les problèmes liés à la sécurité alimentaire. Il est notamment possible de préparer et d'observer sur place des échantillons contenant des agents pathogènes de classe 2 (Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa). Le site est utilisé également pour des recherches en biologie du développement, trafic intracellulaire, nutrition, olfaction, santé animale, interaction hôte-bactérie et bioinformatique. L'imagerie médicale pour la reproduction et le développement est un des membres du réseau de coopération scientifique Premup (APHP, INSERM), mais il reste ouvert aux autres collaborations. La multidisciplinarité des utilisateurs de l'ISC MIMA2 permet d'assurer le renouvellement des matériels et de préserver les compétences de pointe. Des colloques et séminaires sont régulièrement organisés sur place (Symposium de microscopie photonique et Journées Scientifiques et Techniques du réseau des microscopistes INRAE). L'ISC MIMA2 participe également à des actions de formation (Mifobio 2014, 2016 et 2023, ANF CNRS CLEM 2021).
Techniques de Microscopie Électronique
La microscopie électronique permet de descendre à l’échelle des organites cellulaires mais il n'est alors plus question de matériel vivant. Dans le cas du microscope électronique à transmission, on observe des coupes de tissus alors qu'au microscope électronique à balayage l’échantillon apparaît en volume.
Microscopie Électronique à Transmission (MET)
Le MET est une technique qui permet d'observer des coupes de tissus avec une très haute résolution. Elle est particulièrement utile pour étudier l'ultrastructure des cellules et des organites.
Microscopie Électronique à Balayage (MEB)
Le MEB permet d'obtenir des images en volume de l'échantillon. C'est ainsi que la structure et l’évolution de gels, de mousses ou d’émulsions sont dévoilées, à moins que l'on ne préfère étudier les interactions entre les bactéries et leur support par exemple. Les techniques dites cryo, beaucoup plus délicates à mettre en œuvre que la fixation classique, améliorent cependant la préservation de certaines molécules (comme les protéines pour des localisations par immunomarquage) et l’immobilisation d’ions pour des microanalyses élémentaires dans les coupes (fer, calcium…).
Développement Embryonnaire : Les 21 Premiers Jours
Le développement de l'œil proprement dit débute à 22 jours de gestation (J22), alors que la taille de l'embryon humain atteint 2 mm de longueur. Au niveau céphalique, tandis que la plaque neurale commence à se replier pour former le tube neural, des dépressions ou diverticules apparaissent à la face interne de la plaque et marquent des évaginations latérales du neuro-ectoderme vers l'ectoderme de surface (fig. 28-3 a, c et d). À ce niveau, la partie médiale de la plaque neurale est destinée à former une division majeure du cerveau antérieur, le diencéphale, à partir duquel se forment d'autres structures telles que l'hypothalamus et le chiasma des nerfs optiques, pour une distribution des axones indispensable à la vision binoculaire. Une seconde division majeure se forme dans la partie latérale de la plaque neurale antérieure : il s'agit du télencéphale, à l'origine des hémisphères cérébraux qui vont croître en avant des diverticules optiques (fig.
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Gastrulation et Neurulation (Jours 14-21)
Au stade précoce du développement, dès 2 semaines après la fécondation, l'embryon est composé de deux feuillets cellulaires superposés : l'un, sus-jacent, l’épiblaste ou ectoderme primitif, et l'autre, sous-jacent, l’hypoblaste ou endoderme primitif. Formés de cellules cohésives, ces feuillets épithéliaux constituent, dans leur zone de contact, le disque embryonnaire à partir duquel se développe l'embryon. internes à l’embryon. critiques conduisant de la gastrulation à la neurulation. être assigné. ventral. d’un troisième feuillet embryonnaire, le mésoderme. donne également les repères d’un axe « médiolatéral ». les niveaux plus postérieurs ou caudaux. Dans les jours qui suivent, un sillon médian se forme à la surface de l'épiblaste, dont la position définit l'extrémité caudale de l'embryon. Ce sillon s'appelle la ligne primitive et marque l'endroit où se déroule la gastrulation (fig. 28-1 a et b). À partir de ce stade, l'épiblaste du disque embryonnaire proprement dit devient l'ectoderme définitif à l'origine du tissu épithélial qui tapisse et couvre la face externe de l'organisme. Lorsque la ligne primitive est à son extension maximale, les cellules les plus rostrales situées à sa base s'invaginent et s'agrègent en un amas de cellules mésodermiques axiales (fig. 28-1b et c). La ligne primitive engage ensuite une régression rostrocaudale, relative par rapport à l'allongement antérieur de l'embryon, au cours de laquelle elle dépose dans son sillage le matériel cellulaire destiné à former la notochorde. De façon concomitante, la plaque neurale est induite dans l'ectoderme médial sus-jacent. Bien qu'initialement formée d'une seule couche de cellules, la plaque neurale se caractérise par un rapide épaississement, qui conduit à la spécification du neuro-ectoderme et à sa démarcation de l'ectoderme latéral. La plaque neurale subit une réorganisation cellulaire et des mouvements complexes d'extension et de convergence qui précèdent la formation d'une gouttière neurale (fig. 28-1 d). Les bords latéraux de cette gouttière se rejoignent progressivement pour fusionner le long de la ligne médiane dorsale. La fusion des bords du neuro-ectoderme permet d'une part, de restaurer la continuité de l'ectoderme superficiel, destiné à former l'épiderme, et d'autre part, d'internaliser le tube neural à l'origine de l'ensemble du système nerveux central (fig. La fermeture du tube neural débute au niveau du futur cerveau moyen, puis gagne, de façon bidirectionnelle, les niveaux plus rostraux et plus caudaux. En amont, le mécanisme laisse un neuropore antérieur qui se résorbe dans les jours qui suivent (fig. et h).
Ontogenèse de l'Œil
Outre l'implication successive de l'ectoderme, du neuro-ectoderme et, dans une moindre mesure, du mésoderme, l'ontogenèse de l'œil mobilise une ultime population cellulaire qui contribue de façon essentielle à la morphogenèse, l'organogenèse et la physiologie optique : la crête neurale. Il s'agit d'une population de cellules qui a pour origine les bourrelets neuraux qui délimitent latéralement la gouttière neurale (fig. 28-2 a). Avant la fermeture du tube, ces cellules sont épithéliales et liées au neuro-ectoderme, mais, à mesure que la fermeture du tube neural s'engage, elles se détachent des bourrelets latéraux et deviennent mésenchymateuses (fig. 28-2 a et b). Leur individualisation s'opère selon une cinétique bidirectionnelle qui suit la fermeture du tube neural. La crête neurale est une grande innovation qui a marqué l'histoire des Chordés et constitue une caractéristique exclusive des Vertébrés. Du fait de son caractère hautement multipotent, elle est considérée comme le quatrième feuillet germinatif de ce groupe phylogénétique. Son apparition au cours de l'évolution a permis l'acquisition d'une grande variété de caractères propres, parmi lesquels la formation d'un squelette craniofacial comprenant les mâchoires, la face supérieure et le crâne. Il est plus approprié de parler de « cellules de la crête neurale » que de « crêtes neurales », qui désignent spécifiquement les bords de la gouttière neurale en cours de fermeture. Les cellules de la crête neurale (CCN), lorsqu'elles se détachent des bourrelets neuraux, démarrent d'importantes migrations qui les conduisent à essaimer dans tout l'embryon où elles se différencient en une remarquable variété de lignages et de dérivés [2]. Outre une contribution particulièrement riche à l'ontogenèse, la crête neurale subsiste également chez l'adulte à l'état indifférencié, au niveau céphalique, dans certains foyers qui se comportent comme autant de réservoirs ou « niches » de cellules souches, susceptibles de participer à des processus régénératifs variés [3]. Du fait de leurs capacités de différenciation plus étendues par rapport à celles du mésoderme, les cellules souches de la crête neurale font l'objet d'intenses recherches visant à maîtriser les conditions de leur utilisation pour l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative.
Formation du Cristallin et de la Cupule Optique
Dans les jours qui suivent, alors que des unités métamériques de mésoderme troncal, les subissent une ségrégation de part et d'autre du tube neural en suivant l'élongation du corps (fig. 28-1 f et fig. 28-1g), les vésicules optiques issues des évaginations du neuro-ectoderme s'élargissent (fig. 28-2 a, b et fig. 28-3e). La progression des vésicules optiques s'opère en direction de l'ectoderme de surface au contact duquel le neuro-ectoderme s'épaissit et détermine le disque rétinien vers J27. Leur croissance latérale est accompagnée par un afflux de cellules mésenchymateuses (fig. De façon réciproque, l'ectoderme de surface subit également une différenciation qui débute, là encore, par l'épaississement des cellules à son niveau (fig. 28-4 b). Cet épaississement délimite la placode cristallinienne qui secondairement s'invagine jusqu'à former une vésicule cristallinienne (fig. 28-4 b et c), puis s'individualise totalement de l'ectoderme de surface adjacent pour aboutir à la formation d'une lentille internalisée sous l'ectoderme, le cristallin. La formation de la placode cristallinienne coïncide avec l'apparition d'une constriction à la face proximale de la vésicule optique, au niveau de son point d'attache à la paroi latérale du cerveau antérieur. Cette constriction, la tige optique, s'allonge et s'accentue au cours de la croissance à mesure que la morphogenèse de la vésicule optique gagne en sophistication. La lumière de la tige optique maintient une continuité entre la cavité de la vésicule optique, qui donne l'espace sous-rétinien, et le troisième ventricule, vésicule unique et médiale du diencéphale (fig. À la fin de la 4 semaine de développement, la vésicule optique est globalement sphéroïde et composée d'une monocouche de cellules. Le disque rétinien, situé initialement à l'apex de la vésicule (fig. 28-4 c), est transitoirement superposé à la placode du cristallin : ces deux couches cellulaires d'origine distincte sont liées par des pontages cellulaires temporaires. L'accroissement de la cupule optique n'étant pas uniforme à sa circonférence, une croissance différentielle conduit à la formation d'un sillon le long de la face distale et ventrale, dont les bords convergent pour former la fissure optique. À J29, deux invaginations concomitantes - du disque de la rétine et de la placode du cristallin - sont presque achevées (fig. 28-4 d). Superficiellement, une petite dépression peut être observée alors que la lentille du cristallin est en cours d'internalisation. La vésicule du cristallin se sépare définitivement de l'ectoderme de surface avant J36. Les cellules épithéliales du cristallin se referment sur une cavité et sont bordées extérieurement par une lame basale qui forme la capsule du cristallin. Au niveau de la fissure optique, le sillon longitudinal s'étend de la tige optique jusqu'à la cupule qui, parallèlement, s'élargit et s'invagine. Ce mouvement morphogénétique aboutit à la juxtaposition de la paroi distale et de la paroi proximale de la tige optique. Dans la fissure, une branche de l'artère ophtalmique, l'artère hyaloïde et des cellules dérivées de la crête neurale se trouvent incorporées à l'espace lentorétinal. À la fin de la 6 semaine de développement (6 sd), soit approximativement à 8 semaines d'aménorrhée, les bords de la fissure se rejoignent et fusionnent en isolant dans le centre de la tige optique les vaisseaux hyaloïdes et le mésenchyme associé, à l'origine de l'artère et de la veine centrale de la rétine (fig. 28-5 a). La fermeture de la fissure optique commence au milieu de la tige optique et continue simultanément dans une direction proximale (vers le cerveau) et distale (vers la rétine). La fusion de la fissure s'achève en marge de la cupule optique en ménageant un orifice à l'origine de la pupille (fig.
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