Morphogenèse ramifiée, Développement pulmonaire humain, Light-Sheet microscopy, Bio-Image analysis, Imagerie 3D

Les organes tels que les poumons, les reins et les glandes salivaires sont construits par un processus de morphogenèse ramifiée pour construire un réseau complexe d'arbres épithéliaux. Le poumon humain adulte est incroyablement dense : on estime à 500 millions le nombre d'alvéoles dans une paire de poumons (poumons gauche et droit confondus), ce qui représente une surface de 100 à 120 m^2, soit environ 3/4 d'un court de tennis. Cette surface correspond à l'interface sang-air - l'étape centrale de l'échange gazeux où le sang dans les fins capillaires entourant les alvéoles est oxygéné par l'air. Les alvéoles se forment à l'extrémité distale de l'arbre conducteur des voies aériennes, une structure qui s'étend sur 17 à 31 générations de ramifications, construite principalement par des séries de bifurcations à l'extrémité distale d'un épithélium tubulaire des voies aériennes. La morphogenèse des ramifications dans le poumon humain a lieu entre 5 et 17 semaines post-conceptionnelles (PCW), mais les limitations techniques en matière de résolution et d'accès aux tissus font empêché la réalisation d'études à grande échelle sur ce processus. Les études antérieures utilisant des techniques de reconstruction en cire, des reconstructions 3D à partir de coupes histologiques et la radiographie à contraste de phase n'ont décrit que les premières semaines de la ramification, entre 5 et 8PCW. Ainsi, une question apparemment simple comme « Combien y a-t-il de branches dans un poumon PCW11 ? » n'a pas encore trouvé de réponse. Ici, nous utilisons la biobanque française de tissus fœtaux Human Developmental Cell Atlas (HuDeCA) pour étudier la morphogenèse de la ramification pendant PCW5-12. Nous combinons l'immunomarquage en montage entier, la clarification des tissus, la microscopie en nappe de lumière et l'analyse informatique des images pour reconstruire l'arbre épithélial des voies respiratoires en développement et fournir la première référence quantitative du développement du poumon humain en 3D. Nous posons la question suivante : quelle est l'organisation statistique, topologique et cellulaire de l'épithélium ramifié ? Quels sont les facteurs qui déterminent les schémas de ramification complexes à l'échelle de l'organe ? La ramification se produit-elle à un rythme constant au cours de la morphogenèse de la ramification ? Existe-t-il des stades de développement au sein du stade pseudoglandulaire ? Nous avons quantifié plus de 30 lobes supérieurs gauches individuels et avons constaté que le nombre total de branches est passé de 18 branches à PCW5 à environ 60 000 branches à PCW12. On sait que le développement des poumons humains se fait principalement par des séries de bifurcations de pointes. Tout d'abord, nous montrons que les branches augmentent de manière exponentielle, avec un temps de doublement constant de l'extrémité des voies respiratoires d'environ 0,56 semaine (environ 4 jours) à travers PCW5-12. Deuxièmement, alors que les extrémités des voies aériennes se ramifient à un rythme constant, nous avons constaté que la longueur et la largeur moyennes des extrémités diminuent avec l'âge, avec une diminution plus marquée de la longueur des branches. Nous avons constaté que si l'extrémité ramifiée commence par être tubulaire (plus longue que large), vers PCW10, la longueur de la branche est approximativement égale à la largeur de la branche, puis passe à une forme lobulaire (plus courte que large). Troisièmement, bien que principalement construites par des bifurcations, nos données suggèrent la présence de ramifications latérales tôt dans le développement, et même de trifurcations dans les poumons PCW9+. Enfin, nous montrons qu'il existe une variation individuelle considérable dans les schémas des bronches segmentaires proximales ainsi que dans le domaine vers lequel elles se projettent. Ces résultats constituent une référence importante pour le développement des poumons humains embryonnaires et fœtaux.