Biologie de la peau

cellules souches pluripotentes induites/cellule souche pluripotente induite/cellule iPS

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Les cellules pluripotentes induites (iPS =induced Pluripotent Stem) ont été découvertes par une équipe japonaise de chercheurs dirigée par Shinya Yamanaka, de l’Université de Kyoto, Ils ont montré, en août 2006, comment « reprogrammer », en laboratoire, des fibroblastes   de souris en y introduisant quatre gènes différents (c-Myc, Oct3/4, SOX2  , et Klf4   ) au moyen d’un rétrovirus de façon à ce qu’elles acquièrent des caractéristiques similaires à celles des cellules souches embryonnaires  . L’obtention de ces cellules iPS représentait une avancée majeure dans le domaine des cellules souches puisqu’elle laissait espérer de s’affranchir de la plupart des contraintes légales et éthiques associées à l’utilisation des cellules souches embryonnaires et devait permettre d’éviter les contraintes techniques liées au clonage thérapeutique.

Pour ces premiers travaux, les cellules ont été sélectionnées par leur résistance à l’antibiotique G418 après insertion par recombinaison homologue, d’une cassette βgeo (une fusion du gène de la β-galactosidase et du gène de résistance à la néomycine) en aval du promoteur murin Fbx15, cible de Oct-4 (Fbx15 pouvant être remplacé, puisqu’il n’est pas indispensable au maintien de la pluripotence et au développement de la souris).

Ces cellules présentaient des caractéristiques équivalentes à celles des cellules souches embryonnaires, à savoir : un fort potentiel d’auto-renouvellement, des antigènes de surface spécifiques, les marqueurs spécifiques de la pluripotence, l’activité télomérasique, le statut chromatinien, et leur capacité à produire in vitro des cellules issues des 3 feuillets germinaux et in vivo des tératomes.

Toutefois, ces cellules montraient des différences avec les cellules souches embryonnaires dans l’expression de certains gènes, dans leurs patrons de méthylation de l’ADN et ne produisaient pas de chimères viables après leur injection dans un embryon. En juin 2007, trois groupes différents de chercheurs ont montré que l’expression soit de Nanog   ou de Oct3/4 qui sont des gènes étroitement liés à la pluripotence, était un meilleur moyen de sélection permettant d’obtenir des cellules iPS capables de produire des chimères et de démontrer une transmission germinale (#Okita et al., 2007 ; #Wernig et al., 2007 ; #Maherali et al. ,2007).

Malheureusement, le gène c-Myc , l’un des 4 gènes utilisés pour la reprogrammation est un oncogène et 20% des souris chimériques développaient des cancers ; une reprogrammation sans c-Myc est possible mais peu efficace mais dans ce cas, les chimères obtenus ne produisent pas de tumeurs.

C’est en novembre 2007, que la même équipe japonaise de Shinya Yamanaka et une autre, américaine, dirigée par James Thompson, de l’université Wisconsin-Madison ont annoncé avoir produit des cellules iPS humaines après transduction du même cocktail de gènes (c-Myc, Oct3/4, SOX2, and Klf4 ) ou d’une autre combinaison (Oct3/4, SOX2, Nanog, et Lin28) dans des fibroblastes humains.

Depuis cette série de travaux pionniers faisant la preuve du concept , le domaine a fait l’objet d’un très grand nombre de travaux et de publications dont le but était de répondre à des questions clés concernant les points suivants :

  • L’insertion des gènes de virus : les gènes des virus utilisés comme vecteurs des gènes de reprogrammation peuvent s’intégrer dans le génome des cellules hôtes, y être activés ou s’insérer au sein d’un gène de l’hôte, et ainsi induire des mutations et des cancers. D’autres vecteurs ont donc été proposés : des plasmides (Yamanaka et al, 2008), des adenovirus qui ne s’intègrent pas dans le génome cellulaire et n’est présent que transitoirement dans les cellules, le temps d’intégrer les gènes de reprogrammation (Hochedlinger et al., 2008) et un système transposon de type piggyBac. En fait plus récemment, une voie prometteuse est celle qui consiste à se dispenser des virus en identifiant des cocktails de substances qui mimeraient l’activité des gènes de reprogrammation. Une autre méthode consiste à cibler des étapes spécifiques du mécanisme de transition d’un fibroblaste vers une cellule souche avec des composés chimiques. Une autre procédure recourt à l’emploi de molécules de microARNs spécifiques des cellules souches embryonnaires pour augmenter l’efficacité de l’induction de la pluripotence et/ou pour bloquer les répresseurs des gènes de reprogrammation.
  • Le rendement de la reprogrammation des cellules somatiques en cellules iPS est jusqu’à ce jour très faible ; dans les travaux de Yamanaka sur la souris seulement 0,1 à 1% des cellules sont reprogrammées. De nombreuses modifications du protocole sont en cours d’étude pour solutionner ce problème.
  • La reprogrammation incomplète ; l’injection de cellules iPS de souris dans des blastocystes tétraploïdes a conduit à la naissance de souriceaux entièrement composés de cellules dérivés des cellules iPS, démontrant clairement le potentiel des cellules iPS. Toutefois, dans de nombreuses conditions, la reprogrammation s’est avérée souvent incomplète.

Les premiers travaux avec les cellules iPS étaient réalisés avec des cellules issues de donneurs sains. Mais très rapidement, il a été montré qu’il était possible de générer des cellules iPS à partir de cellules de sujets atteints de diverses maladies génétiques, de corriger in vitro le défaut génétique à l’origine de la maladie, de redifférencier les cellules iPS modifiées et enfin de les ré-injecter aux donneurs. Ainsi, très rapidement après leur découverte, les cellules iPS ont été utilisés pour traiter une souris atteinte d’anémie falciforme. A ce jour, les cellules iPS ont permis de traiter, chez la souris, l’hémophilie , l’infarctus , les lésions de la moelle épinière et le diabète. Chez l’homme, des cellules IPS issues de patients atteints de la maladie de Parkinson, du syndrome de Rett, d’une atrophie musculaire spinale ou de dysautonomie familiale, ont permis de recréer des neurones. Cette approche en fournissant le tissu cible en quantité suffisante devrait permettre de mieux étudier l’activité et les effets des médicaments existants et de réaliser le criblage de nouveaux composés.

Dans le cadre plus restreint de la peau, il a été montré que non seulement les fibroblastes mais également les kératinocytes   épidermiques et ceux issus de la gaine épithéliale externe du follicule pileux pouvait être reprogrammés en cellules iPS.

Plus récemment, 3 publications ont montré que des cellules iPS humaines ou murines pouvaient être différenciées en kératinocytes par l’application   séquentielle d’acide rétinoique pour promouvoir une différenciation vers la voie ectodermique et de BMP4 (bone marrow protein 4) pour bloquer la voie de différentiation neurale (#Bilousova et al., 2011 ; #Tolar et al., 2011 ; #Itoh et al., 2011).

En particulier, Itoh et al. ont réussi :

  • à générer des cellules iPS à partir de fibroblastes humains de peau normale ou de peau de patients présentant une épidermolyse bulleuse dystrophique récessive (EBDR)
  • à induire ces deux types de cellules iPS à se différencier en kératinocytes
  • et, à générer avec ces cellules différenciées, des équivalents de peau en 3D.

Les kératinocytes dérivés des cellules iPS exprimaient non seulement la kératine   K14 mais également d’autres marqueurs des kératinocytes tels que p63, (principalement Dnp63), DSG3, ITGB4, la laminine 5, et la keratine 5. De plus, la kératine K18, qui est exprimée dans d’autres cellules épithéliales mais pas dans l’épiderme  , étaient également dans ces cellules. Comme attendu, le collagène   de type VII était exprimé par les kératinocytes issues des cellules iPS de sujets normaux mais était absent pour les kératinocytes issues des cellules iPS de sujets atteints par l’EBDR.

Ces derniers travaux sont très encourageants puisqu’il laisse espérer qu’il sera possible de générer à partir d’un simple explant de peau, l’ensemble des cellules de la peau, en passant par la production de cellules iPS, leur multiplication pour les stocker en grand nombre puis en utilisant le pool de cellules générées leur différenciation vers les différents types de cellules , soit épidermique (kératinocytes, mélanocytes  , cellules de Langerhans  , …) ou dermique (fibroblastes, cellules endothéliales, cellules nerveuses, ou cellules inflammatoires, ...) afin d’avoir les composants cellulaires permettant la construction d’une peau complète.

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