Table des matières
- Points clés
- Introduction
- Sources des cellules souches pluripotentes
- Cellules souches embryonnaires (ESCs)
- Cellules souches de type embryonnaire très petites (VSELs)
- Cellules souches issues de transfert nucléaire (NTSCs)
- Cellules souches reprogrammées (RSCs)
- Cellules souches adultes
- Applications cliniques et orientations futures
- Considérations éthiques
- Questions fréquentes
- Informations sur les sources
Points clés
- Les cellules souches peuvent s'auto-renouveler et se différencier en types de cellules spécialisées issus des trois feuillets germinatifs.
- Il existe cinq principaux types de cellules souches : les cellules souches embryonnaires, les VSELs, les cellules souches issues de transfert nucléaire, les cellules souches reprogrammées et les cellules souches adultes.
- Les cellules souches pluripotentes induites (iPSCs) peuvent être obtenues à partir de cellules adultes, comme des échantillons d'urine.
- Les cellules souches issues de transfert nucléaire ont été utilisées pour cloner des primates, ce qui contribue à la recherche sur les maladies.
- Des essais cliniques sont en cours pour des transplantations de la rétine et de la moelle épinière utilisant des cellules souches.
Introduction
La recherche sur les cellules souches a connu des changements révolutionnaires au cours des 20 dernières années, avec des avancées particulièrement rapides au cours de la dernière décennie. Ce domaine a débuté en 1961 lorsque les chercheurs canadiens Drs James A. Till et Ernest A. McCulloch ont découvert pour la première fois des cellules souches dans la moelle osseuse de souris capables de se différencier en divers types de cellules, établissant le concept de cellules souches pluripotentes (CSP) — des cellules capables de devenir n'importe quel type de cellule de l'organisme.
Le domaine a franchi plusieurs étapes décisives : la brebis Dolly a été clonée en 1996 par transfert nucléaire de cellule somatique (SCNT), les premières cellules souches embryonnaires humaines (hESC) ont été isolées en 1998, et les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) ont été créées en 2006 par reprogrammation de cellules adultes avec seulement quatre facteurs de transcription. L'importance de ces découvertes a été reconnue lorsque Shinya Yamanaka et John Gurdon ont reçu le prix Nobel 2012 pour leurs travaux montrant que des cellules matures pouvaient être reprogrammées vers un état pluripotent.
Les chercheurs ont identifié cinq grandes catégories de cellules souches au moyen d'une revue systématique : les cellules souches embryonnaires (ESCs), les cellules souches de type embryonnaire très petites (VSELs), les cellules souches issues de transfert nucléaire (NTSCs), les cellules souches reprogrammées (RSCs) et les cellules souches adultes. Chaque type offre des avantages et des défis uniques pour les applications cliniques. Seules les NTSCs ont été utilisées pour générer un organisme complet (des singes en Chine, 2018), tandis que les autres types ont été utilisés pour générer des tissus et des organes.
Les cellules souches, en particulier les CSE et les CSPi, offrent un potentiel immense dans quatre grands domaines : la médecine régénérative et de transplantation, la modélisation des maladies, le criblage pour la découverte de médicaments et la biologie du développement humain. Ce domaine continue d’évoluer, depuis les découvertes initiales jusqu’à l’élargissement des applications cliniques, bien que des défis persistent, notamment en ce qui concerne le contrôle de la prolifération et de la différenciation cellulaires, car la technologie de reprogrammation des CSPi est encore relativement récente.
Sources de cellules souches pluripotentes
Les cellules souches pluripotentes (CSP) se caractérisent par deux propriétés essentielles : l'auto-renouvellement (capacité à proliférer) et la potence (capacité à se différencier en types cellulaires spécialisés issus de l'un des trois feuillets germinatifs primaires : ectoderme, endoderme ou mésoderme). Les chercheurs utilisent trois tests principaux pour évaluer la pluripotence dans des modèles murins.
Le test de formation de tératome évalue la génération spontanée de tissus différenciés issus des trois feuillets germinatifs après transplantation de cellules chez des souris immunodéprimées. Le test de formation de chimères permet de déterminer si les cellules souches contribuent au développement en les injectant dans des embryons précoces (blastocystes 2N) et en vérifiant si les cellules donneuses ont une capacité de transmission germinale, génèrent des gamètes fonctionnels et conservent leur intégrité chromosomique. Le test de complémentation tétraploïde (4N) détermine la capacité des cellules pluripotentes au sein d'un organisme entier en injectant des cellules dans des embryons 4N et en surveillant les stades de croissance pour les lignées extra-embryonnaires résultant des cellules souches transplantées plutôt que de l'embryon lui-même.
Cellules souches embryonnaires (CSE)
Les cellules souches embryonnaires humaines (hESCs) sont prélevées à partir de blastocystes à un stade précoce (4 à 5 jours après la fécondation), soit en détruisant le blastocyste source, soit en prélevant des tissus à un stade plus tardif (jusqu'à 3 mois d'âge gestationnel). Ce sont les premières cellules souches utilisées dans des applications de recherche et elles restent couramment utilisées dans les essais cliniques aujourd'hui (comme répertorié sur clinicaltrials.gov).
hESCs représentent l'étalon-or de la pluripotence, mais s'accompagnent de préoccupations éthiques concernant la destruction d'embryons et de problèmes potentiels de rejet immunitaire lorsqu'elles sont transplantées chez des patients. Malgré ces défis, elles continuent de fournir des informations précieuses sur la biologie du développement et servent de comparateurs importants pour les nouvelles technologies de cellules souches.
Cellules souches de type embryonnaire très petites (VSELs)
Un nouveau type de cellule souche pluripotente appelé cellules souches de type embryonnaire très petites (VSELs) s'est révélé prometteur depuis leur identification en 2006. Plus de 20 laboratoires indépendants ont confirmé leur existence, bien que certains groupes aient remis en question leur validité. Ces cellules sont de petites cellules souches au stade précoce du développement, présentes dans les tissus adultes, qui expriment des marqueurs de pluripotence.
Les VSELs mesurent environ 3 à 5 micromètres chez la souris et 5 à 7 micromètres chez l'humain (légèrement plus petits que les globules rouges). Ils expriment des marqueurs d'ESC, notamment SSEA, Oct-4A nucléaire, Nanog et Rex1, ainsi que des marqueurs des cellules germinales primordiales en migration tels que Stella et Fragilis. Leur origine développementale pourrait être associée à des dépôts de la lignée germinale dans les organes en développement au cours de l'embryogenèse.
Selon un modèle proposé en 2019, les VSELs proviennent des cellules germinales primordiales et se différencient en trois destins potentiels : les cellules souches mésenchymateuses (CSM), les hémangioblastes (y compris les cellules souches hématopoïétiques et les cellules progénitrices endothéliales), et les cellules souches engagées dans un tissu. En tant que cellules souches pluripotentes, les VSELs pourraient avoir l'avantage de pouvoir se différencier à travers les couches germinales chez les animaux adultes ou les humains, fonctionnant potentiellement comme une alternative aux cellules souches monopotentes engagées dans un tissu chez les adultes.
Les VSELs pourraient surmonter plusieurs problèmes associés à d'autres types de cellules souches : les controverses éthiques des ESC et le risque de formation de tératome (tumeur) des iPSC. Cela les rend particulièrement prometteuses pour les futures études sur les cellules souches et les applications cliniques où ces préoccupations constituent des obstacles importants.
Cellules souches issues de transfert nucléaire (NTSCs)
Initialement découverte en 1996, la technique de transfert nucléaire de cellule somatique (SCNT) a progressivement évolué pour générer des cellules souches issues de transfert nucléaire (NTSCs). Ce processus commence par l'implantation d'un noyau donneur provenant d'une cellule somatique entièrement différenciée (comme un fibroblaste) dans un ovocyte énucléé (cellule œuf dont le noyau a été retiré).
La nouvelle cellule œuf hôte déclenche alors une reprogrammation génétique du noyau donneur. De nombreuses divisions mitotiques de cette cellule unique en culture conduisent à un blastocyste (environ 100 cellules au stade précoce de l'embryon), générant finalement un organisme dont l'ADN est presque identique à celui de l'organisme d'origine — un clone du donneur de noyau. Le processus peut produire à la fois un clonage thérapeutique et un clonage reproductif.
Dolly la brebis (1996) a été le premier clone reproductif réussi d'un mammifère. Depuis, environ deux douzaines d'autres espèces ont été clonées. En janvier 2018, des scientifiques chinois à Shanghai ont annoncé avoir cloné avec succès deux macaques femelles en utilisant des fibroblastes fœtaux via SCNT—les premiers primates clonés par cette méthode.
Créer des primates clonés pourrait révolutionner la recherche sur les maladies humaines. Des primates non humains génétiquement uniformes pourraient servir de modèles animaux précieux pour la biologie des primates et la recherche biomédicale, en aidant à étudier les mécanismes des maladies et les cibles médicamenteuses tout en réduisant les facteurs de confusion liés aux variations génétiques et le nombre d'animaux de laboratoire nécessaires. Cette technologie pourrait être combinée à l'édition génomique CRISPR-Cas9 pour créer des modèles primates génétiquement modifiés de troubles humains comme la maladie de Parkinson et divers cancers.
Les sociétés pharmaceutiques ont exprimé une forte demande de singes clonés pour les essais de médicaments. Enthousiasmée par cette perspective, Shanghai a accordé la priorité au financement de la création d’un Centre international de recherche sur les primates afin de produire des animaux de recherche clonés destinés à un usage international. Le SCNT est unique parmi les approches de cellules souches, car il peut générer un organisme vivant entier plutôt que de simples feuillets de cellules, des tissus ou des fragments d’organe, ce qui lui confère des avantages fonctionnels biophysiologiques sur les ESCs et les iPSCs tant pour la recherche fondamentale que pour l’application clinique.
Cellules souches reprogrammées (RSCs)
Depuis 2006, année où Yamanaka et ses collègues ont généré pour la première fois des cellules souches pluripotentes induites (iPSCs), les technologies de reprogrammation ont considérablement progressé. Cela est particulièrement vrai pour les méthodes de reprogrammation directe, tant en laboratoire (in vitro) qu'au sein d'organismes vivants (in vivo), visant à produire des lignages tissulaires spécifiques à l'aide de facteurs de transcription restreints au lignage, de modifications des signaux ARN et de petites molécules ou composés chimiques.
Ces approches directes contournent l’étape iPSC, produisant des cellules plus précises comme les cellules progénitrices neurales induites (iNPCs), qui sont plus proches des lignages cellulaires cibles tels que les cellules neurales et les motoneurones qui en découlent. Les cellules souches reprogrammées (RSCs) sont obtenues en appliquant n’importe quelle méthode de laboratoire pour reprogrammer les signaux génétiques de cellules primaires, à l’exclusion de la technique de SCNT.
Pour surmonter les défis éthiques et immunogéniques associés aux hESCs, les iPSCs se sont imposées comme une alternative prometteuse, puisqu'elles sont dérivées de tissus somatiques adultes. Les sources humaines d'iPSCs — notamment le sang, la peau et l'urine — sont abondantes. Comme les hiPSCs peuvent être prélevées chez chaque patient, le rejet immunitaire peut être évité lorsqu'elles sont retransplantées chez le même patient (transplantation autologue).
Des chercheurs ont mis au point des méthodes permettant d’obtenir des hiPSCs à partir de cellules tubulaires rénales présentes dans l’urine. Un protocole ne nécessitant qu’un échantillon d’urine de 30 ml est simple, relativement rapide, économique et universel (applicable aux patients de tous âges, sexes et origines raciales/ethniques). La procédure totale ne comprend que 2 semaines de culture cellulaire et 3-4 semaines de reprogrammation, produisant des rendements élevés en iPSC avec un excellent potentiel de différenciation.
Les iPSC dérivées de l’urine, recueillies à partir de 200 mL d’échantillons d’urine propre de mi-jet au moyen du système d’administration du virus Sendai, présentaient un caryotype normal (structure chromosomique) et montraient un potentiel de différenciation en trois feuillets germinatifs dans des tests de tératome. Une sous-population de cellules isolées de l’urine présentait des caractéristiques de cellules progénitrices, notamment l’expression à la surface cellulaire des marqueurs c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 et CD44, qui peuvent distinguer les lignées cellulaires vésicales (urothéliale, musculaire lisse, endothéliale et interstitielle), ce qui en fait une source cellulaire alternative prometteuse.
Cellules souches adultes
Les cellules souches adultes représentent une autre catégorie importante de cellules souches présentes dans divers tissus de l'organisme. Contrairement aux cellules souches pluripotentes, elles sont généralement multipotentes — capables de se différencier en un nombre limité de types cellulaires spécifiques à leur tissu d'origine.
Les sources courantes incluent la moelle osseuse, le tissu adipeux (gras), la pulpe dentaire et divers organes. Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) figurent parmi les cellules souches adultes les plus étudiées et se sont révélées prometteuses pour traiter les affections inflammatoires, favoriser la réparation tissulaire et moduler les réponses immunitaires.
Bien que moins polyvalentes que les cellules souches pluripotentes, les cellules souches adultes offrent des avantages, notamment moins de préoccupations éthiques, un risque plus faible de formation de tumeurs et une utilisation clinique établie dans des procédures comme la transplantation de moelle osseuse. La recherche continue d'explorer leur plein potentiel et leurs mécanismes d'action.
Applications cliniques et perspectives futures
La recherche sur les cellules souches a progressé à travers la recherche fondamentale, les études précliniques, et désormais les essais cliniques dans de multiples domaines d'application. Les avancées dans les combinaisons de facteurs de reprogrammation, les méthodes expérimentales et l'élucidation des voies de signalisation ont contribué aux premiers essais cliniques de transplantations de cellules rétiniennes et de transplantations de moelle épinière.
Le domaine continue de relever les défis liés au contrôle de la prolifération et de la différenciation cellulaires. Les chercheurs examinent systématiquement des sujets méthodologiques, notamment : l'induction de la pluripotence par des modifications génomiques ; la construction de nouveaux vecteurs contenant des facteurs de reprogrammation ; la promotion de la pluripotence des iPSC par de petites molécules et des voies de signalisation génétiques ; l'amélioration de la reprogrammation par des microARN ; l'induction et l'amélioration de la pluripotence des iPSC par des produits chimiques ; la génération de types cellulaires différenciés spécifiques ; et le maintien de la pluripotence et de la stabilité génomique des iPSC.
Ces sujets sont cruciaux pour maximiser l'efficacité de la génération et de la différenciation des iPSC en vue de la traduction clinique. Les avancées en culture cellulaire incluent la culture sans cellules nourricières, les milieux sans xénogéniques (évitant les produits d'origine animale), et diverses techniques enrichies par des biomatériaux. Les technologies cellulaires et de bioprinting tridimensionnelles (3D) représentent des orientations particulièrement prometteuses, ainsi que les ressources en PSC et la reprogrammation cellulaire directe de deuxième génération dans des organismes vivants.
La recherche à long terme sur les cellules souches et les objectifs cliniques portent sur la mise au point de traitements sûrs et efficaces pour des pathologies telles que les maladies neurodégénératives, les lésions de la moelle épinière, les maladies cardiaques, le diabète et de nombreuses autres affections dans lesquelles le remplacement cellulaire ou la régénération tissulaire pourrait apporter des bénéfices thérapeutiques.
Considérations éthiques
La recherche sur les cellules souches continue de composer avec d'importantes considérations éthiques, notamment en ce qui concerne les cellules souches embryonnaires et les technologies de clonage. La destruction d'embryons humains à des fins de recherche sur les hESC demeure controversée dans de nombreuses sociétés et fait l'objet d'une réglementation différente selon les pays.
Les technologies émergentes comme les iPSC aident à répondre à certaines préoccupations éthiques en fournissant des sources alternatives de cellules pluripotentes sans destruction d'embryons. Cependant, de nouvelles questions éthiques apparaissent concernant la manipulation génétique, le consentement au don de cellules et l'accès équitable aux thérapies qui en résultent.
La communauté internationale de la recherche continue d'élaborer des lignes directrices et des réglementations pour garantir un progrès éthique dans la recherche sur les cellules souches tout en maximisant les bénéfices potentiels pour les patients souffrant de diverses maladies et affections.
Questions fréquentes
Quels sont les différents types de cellules souches ?
L'article décrit cinq grandes catégories de cellules souches : les cellules souches embryonnaires (CSE), les cellules souches de type embryonnaire très petites (VSEL), les cellules souches issues de transfert nucléaire (NTSC), les cellules souches reprogrammées (RSC) et les cellules souches adultes. Chaque type a des sources et un potentiel clinique uniques. Par exemple, les CSE sont prélevées à partir de blastocystes, tandis que les iPSC sont reprogrammées à partir de cellules adultes.
Les cellules souches peuvent-elles être utilisées pour traiter des maladies ?
Oui, les cellules souches sont prometteuses en médecine régénérative, dans la modélisation des maladies et dans la découverte de médicaments. Des essais cliniques sont en cours pour des pathologies comme les lésions de la rétine et de la moelle épinière. Cependant, des défis subsistent pour contrôler la prolifération et la différenciation cellulaires. Les cellules souches adultes sont déjà utilisées dans les greffes de moelle osseuse, et les iPSC pourraient permettre des thérapies personnalisées.
Quelles sont les préoccupations éthiques liées à la recherche sur les cellules souches ?
Les préoccupations éthiques concernent principalement la destruction d'embryons humains pour la recherche sur les cellules souches embryonnaires. Cependant, les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) offrent une alternative qui évite la destruction d'embryons. Le clonage par transfert nucléaire soulève également des questions éthiques. Les réglementations varient selon les pays, et la recherche en cours vise à répondre à ces questions.
Comment les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) sont-elles obtenues à partir d'un patient ?
Les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) peuvent être obtenues à partir du sang, de la peau ou de l'urine d'un patient. Par exemple, un simple échantillon d'urine de 30 ml fournit des cellules tubulaires rénales qui sont cultivées pendant 2 semaines, puis reprogrammées sur 3 à 4 semaines pour devenir des iPSC. Cette méthode est économique et fonctionne pour les patients de tous âges et de toutes origines.
Quels sont les avantages d'utiliser les propres cellules souches d'un patient pour un traitement ?
L'utilisation des propres cellules souches d'un patient, telles que les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) dérivées de son sang, de sa peau ou de son urine, évite le rejet immunitaire car les cellules sont génétiquement identiques à celles du patient. Cette approche de transplantation autologue élimine le besoin de médicaments immunosuppresseurs et réduit le risque de rejet de greffe.
Quel est le risque de formation de tumeur avec les cellules souches pluripotentes induites ?
Les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) présentent un risque de formation de tératome, qui est un type de tumeur. Il s'agit d'un défi connu dans le domaine. Les chercheurs s'efforcent de contrôler la prolifération et la différenciation cellulaires afin de minimiser ce risque avant que les iPSC puissent être utilisées en toute sécurité dans des applications cliniques.
Comment les cellules souches sont-elles testées pour s'assurer qu'elles peuvent devenir n'importe quel type de cellule ?
La pluripotence des cellules souches est testée à l'aide de trois principaux tests chez la souris. Le test de formation de tératome vérifie si les cellules peuvent générer des tissus issus des trois feuillets germinatifs. Le test de formation de chimères évalue si elles contribuent au développement et produisent des gamètes fonctionnels. Le test de complémentation tétraploïde détermine si elles peuvent former un organisme entier.
Devrais-je demander un deuxième avis avant un traitement par cellules souches pour une pathologie comme une lésion de la moelle épinière ou une maladie rétinienne ?
Un deuxième avis peut être précieux avant un traitement par cellules souches, car le domaine évolue rapidement et des essais cliniques sont en cours pour des pathologies comme les lésions de la rétine et de la moelle épinière. Différents spécialistes peuvent avoir une expertise variable concernant les cinq types de cellules souches, notamment les cellules souches embryonnaires, les cellules souches pluripotentes induites et les cellules souches adultes. Un deuxième avis peut aider à confirmer si vous êtes un candidat approprié pour une thérapie expérimentale, à clarifier les risques tels que la formation de tératome avec les iPSC, et à vous assurer que vous comprenez les alternatives. Diagnostic Detectives Network fournit des deuxièmes avis d'experts indépendants.
Informations sur la source
Original Article Title: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications
Authors: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler
Publication: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32
DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x
Cet article destiné aux patients est fondé sur des recherches évaluées par les pairs et vise à rendre des informations scientifiques complexes accessibles tout en préservant l'ensemble des résultats et données essentiels de la publication originale.
