Les cellules souches

Plusieurs types de cellules souches sont à distinguer selon le nombre de types cellulaires différents qu’elles sont capables de générer :

Les cellules souches totipotentes peuvent se différencier en tous les types cellulaires, embryonnaires et extra-embryonnaires et peuvent donner à elles seules un organisme vivant en entier lorsqu’elles sont ré-implantées chez une mère porteuse. Les cellules de l’embryon du stade zygote au stade 8 cellules sont totipotentes (voir figure ci-dessus).

Les cellules pluripotentes sont les cellules filles des cellules totipotentes ; les cellules souches de la masse interne de l’embryon au stade blastocyste 40 sont pluripotentes ; elles ont déjà subi une première étape de différenciation, puisque les cellules de la masse interne se sont différenciées des cellules du trophectoderme ; elles peuvent générer les cellules des trois lignées germinales, endodermique, mésodermique, et ectodermique mais ne peuvent plus générer les cellules du trophectoderme à l’origine des cellules des annexes embryonnaires ; elles ont donc la capacité de donner un organisme en entier mais ne peuvent fournir l’environnement propice à son développement, les annexes embryonnaires.

Les cellules souches multipotentes peuvent donner différents types de cellules mais uniquement celles issues d’une lignée cellulaire, ectoderme, mésoderme, ou endoderme ; elles sont dites déterminées. Elles sont présentes chez l’embryon et chez l’adulte.

Les cellules souches unipotentes peuvent se différencier en un seul type cellulaire mais peuvent s’autorenouveler comme toutes les cellules souches.

Il convient de noter que ces définitions ont un aspect très théorique. Pour certains experts, il n’existe pas de cellules unipotentes qui correspondent à des cellules dites progénitrices à capacité de division limitée.

Les cellules souches peuvent également être distinguées selon leur origine. Elles seront embryonnaires, foetale, adultes, ou issues du liquide amniotique ou cellules souches pluripotentes induites.

 Les cellules souches embryonnaires  

Les cellules souches embryonnaires, également appelées cellules ES (de l’américain Embryonic Stem) sont des cellules pluripotentes obtenues à partir d’un embryon à un stade très précoce de son développement, c’est à dire entre le stade de morula précoce jusqu’au stade blastocyste. Le blastocyste est un embryon de moins de 7 jours constitué de 3 parties, le trophoblaste périphérique, la masse cellulaire interne et une grande cavité remplie de liquide, le blastocèle. Les cellules de la masse cellulaire interne du blastocyste sont des cellules ES capable de donner à elles seules l’organisme en entier. Le trophoblaste donnera le placenta qui liera l’embryon à l’utérus maternel. Le blastocèle disparaîtra progressivement au cours du développement embryonnaire. C’est à partir de la masse interne du blastocyste que les premières cellules ES humaines ont été isolées.

Il est possible d’obtenir des cellules souches ES à un stade un peu plus tardif du développement embryonnaire en récupérant les cellules germinatives primitives juste avant leur migration extra-embryonnaire ; celles-ci sont des cellules souches qui donneront les cellules germinales, les ovogonies à l’origine des ovules chez la femelle et les spermatogonies à l’origine des spermatozoïdes chez l’homme. Très tôt chez l’embryon, ces cellules s’individualisent du reste de l’embryon en s’établissant transitoirement dans les parties extra-embryonnaires. Cette migration aurait pour objet d’empêcher la méthylation de l’ADN de ces cellules, qui se produit dans les autres cellules embryonnaires et qui réduirait leur potentiel de différenciation, ce qui leur permettra de produire des gamètes qui après la fécondation auront la capacité de produire un nouvel individu.

L’utilisation des cellules ES pour la recherche médicale et les applications thérapeutiques qui en découlent ont fait l’objet de très nombreuses controverses, principalement parce que leur isolement nécessite la destruction d’un embryon, soit surnuméraire, soit issu de la fécondation in vitro, soit par clonage (par transfert du noyau d’une cellule dans un ovule préalablement vidé du sien). Elle est limitée pour des raisons éthiques et légales et sera probablement remplacée par celle des cellules iPS (voir plus loin) qui permettent d’éviter la plupart des problèmes liés aux cellules ES.

 Les cellules souches foetales  

Les cellules souches foetales sont des cellules multipotentes issues d’un fetus, généralement issu d’une interruption volontaire de grossesse. Comme toute cellule omnipotente, elles sont déjà en partie déterminées et sont spécifiques du tissu foetal d’origine, étant capable de générer les cellules du tissu où elles étaient localisées.

 Les cellules souches amniotiques  

Des cellules souches peuvent être isolées à partir du liquide amniotique dans lequel baigne le bébé. Les cellules souches amniotiques sont considérées comme représentant un intermédiaire entre les cellules ES et les cellules souches adultes  , exprimant les marqueurs cellulaires de ces deux types de cellules. Elles peuvent se différencier en un grand nombre de lignées cellulaires (adipocytaires, endothéliales, hépatiques, neurogénique, …) , et également les lignées germinales embryonnaires. Ces cellules ont un énorme potentiel de multiplication, restant phénotypiquement et génétiquement stable au bout de plus de 250 divisions. Elles n’induisent pas de tumeurs. Leur prélèvement n’implique aucune manipulation de l’embryon et ne met aucunement en danger la mère et le fœtus. Il suffit de prélever un peu de liquide amniotique lors d’examens prénataux, ou de placenta à la naissance, pour constituer une réserve de cellules souches amniotiques. Les cellules souches amniotiques ne représentent que 1 à 2 % des cellules présentes dans le liquide amniotique.

 Les cellules souches adultes ou somatiques

Les cellules souches adultes ou somatiques sont présentes chez l’enfant et l’adulte et ont été identifiées dans la plupart des organes testés : la peau, l’intestin, l’os, la moelle osseuse, le foie, le cœur, le cerveau, le pancréas, … .

Les cellules souches adultes assurent un renouvellement constant des cellules permettant l’homéostasie et la réparation des tissus tout en maintenant en même temps un réservoir de cellules souches. L’auto renouvellement des cellules souches se fait par division cellulaire après laquelle, une cellule-fille reste une cellule souche alors que l’autre est soit également une cellule souche (division symétrique), soit une cellule différenciée (division asymétrique).

La plupart des cellules souches adultes sont multipotentes, ne pouvant donner que des types cellulaires issus d’une seule lignée cellulaire. Elles sont dénommées selon leur tissu d’origine : cellules souches mésenchymateuses   de la moelle osseuse, cellules souches hématopoïétique, cellules souches endothéliales, cellules souches du tissu adipeux  , cellules souches dermiques, cellules souches épidermiques, etc... .

La moelle osseuse contient plusieurs types de cellules souches principalement, les cellules souches hématopoïétiques (CSH) donnant naissance aux différentes lignages des cellules sanguines, les cellules souches mésenchymateuses assurant la fonction de soutien stromal et un type rare de cellules multipotentes, les MAPCS (Multipotent Adult progenitor cells). Les MAPCS ont été décrites comme étant les ancêtres de toutes les populations hématopoïétiques et mésenchymateuses présentes dans la moelle osseuse humaine.

Le terme de cellules souches mésenchymateuses a été donné par Arnold Caplan en 1991. Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont des cellules souches d’origine mésodermique présentes dans divers types de tissus de l’organisme adulte, tels que la moelle osseuse ou le tissu adipeux. Les CSM ont été également isolées à partir de divers tissus incluant le cartilage, le périoste, la membrane synoviale, le liquide synovial, les muscles et les tendons, le tissu foetal, le placenta, la veine ombilicale, et le système vasculaire. Elles présentent des propriétés intéressantes puisqu’elles sont peu immunogéniques, ont un effet immunosuppressif sur la greffe et réduisent la réponse inflammatoire.

Les cellules souches mésenchymateuses peuvent proliférer jusqu’à la 40^e génération et se différencier en cellules d’origine mésodermique, l’os, le cartilage, le tissu adipeux et stromal, le muscle lisse, les ligaments et les tendons. Elles peuvent également, sous certaines conditions, générer une large variété de types cellulaires, tels que les cardiomyocytes, les myocytes squelettiques, les cellules neuronales, les cellules rétiniennes, les astrocytes, les hépatocytes, les cellules pancréatiques, les fibroblastes  , les myofibroblastes, et les fibrocytes  .

Dans la moelle osseuse, les cellules souches mésenchymateuses sont 10 fois moins nombreuses que les cellules souches hématopoïétiques et représentent 0,1% à 0,01% des cellules mononucléées (CMN) totales de la moelle osseuse.

 Les cellules souches pluripotentes induites   (iPS )

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.

 Cellules iPS et peau

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.

 Les cellules induites différenciées   (CiD)

Les cellules induites différenciées (CiD) sont des cellules qui ont été directement différenciées à partir d’une autre cellule différenciée sans passer par l’étape cellule souche, un processus appelé transdifférenciation. Leur découverte était annoncée en 2008 par la démonstration qu’il était possible de transformer in vivo des cellules exocrines du pancréas en des cellules β en les infectant avec un adenovirus exprimant les facteurs de transcription, Ngn3(=Neurog3), Pdx1 and Mafa, tous connus pour être important pour le développement des cellules β. En janvier 2010, le concept est confirmé par la transdifférenciation in vitro de fibroblastes en neurones avec la combinaison de facteurs, Ascl1, Brn2, et Myt1l (#Vierbuchen et al., 2010). Puis, successivement en aôut et novembre 2010, il a été montré que des fibroblastes pouvaient également être transformés en cellules du muscle cardiaque (#Ieda et al., 2010) en utilisant une combinaison des facteurs Gata4, Mef2c et Tbx5 ou en cellules du sang ( globules rouges, plaquettes, ou globules blancs), avec le gène Oct4   (#Szabo et al., 2010).

 Bibliographie

Pour revue, voir :

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Références

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