Cette revue exhaustive met en lumière les avancées majeures de la recherche sur les cellules souches au cours des deux dernières décennies, montrant comment les scientifiques peuvent désormais reprogrammer des cellules adultes en cellules souches pluripotentes capables de se différencier en tout type cellulaire de l’organisme. L’article aborde cinq principaux types de cellules souches — embryonnaires, de type embryonnaire très petites, par transfert nucléaire, reprogrammées et adultes — chacun présentant des sources et un potentiel clinique uniques. Les progrès clés incluent l’amélioration des méthodes de reprogrammation utilisant des virus, l’ARN et des composés chimiques ; le développement de systèmes de culture évitant les produits d’origine animale ; et l’émergence des technologies de bio-impression 3D qui pourraient à terme permettre la génération de tissus et d’organes transplantables.

Avancées récentes en recherche sur les cellules souches : des découvertes en laboratoire aux applications cliniques

Table des matières

• Introduction
• Sources de cellules souches pluripotentes
• Cellules souches embryonnaires (CSE)
• Cellules souches de type embryonnaire très petites (VSEL)
• Cellules souches par transfert nucléaire (NTSC)
• Cellules souches reprogrammées (RSC)
• Cellules souches adultes
• Applications cliniques et perspectives futures
• Considérations éthiques
• Sources d’information

Introduction

La recherche sur les cellules souches a connu des transformations révolutionnaires au cours des vingt dernières années, avec des progrès particulièrement rapides durant la dernière décennie. Ce domaine a débuté en 1961 lorsque les chercheurs canadiens 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 cellulaires, établissant ainsi le concept de cellules souches pluripotentes (CSP) — des cellules capables de donner naissance à tout type cellulaire de l’organisme.

Le domaine a franchi plusieurs étapes majeures : le clonage de la brebis Dolly en 1996 par transfert nucléaire de cellules somatiques (TNCS), l’isolement des premières cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) en 1998, et la création de cellules souches pluripotentes induites (CSPi) en 2006 par reprogrammation de cellules adultes à l’aide de seulement quatre facteurs de transcription. L’importance de ces découvertes a été consacrée par l’attribution du prix Nobel 2012 à Shinya Yamanaka et John Gurdon pour leurs travaux démontrant que des cellules matures pouvaient être reprogrammées à l’état pluripotent.

Les chercheurs ont identifié cinq catégories principales de cellules souches par revue systématique : les cellules souches embryonnaires (CSE), les cellules souches de type embryonnaire très petites (VSEL), les cellules souches par transfert nucléaire (NTSC), les cellules souches reprogrammées (RSC) et les cellules souches adultes. Chaque type présente des avantages et des défis uniques pour les applications cliniques. Seules les NTSC ont permis de générer un organisme complet (des singes en Chine, 2018), tandis que les autres types ont servi à produire des tissus et des organes.

Les cellules souches, en particulier les CSE et les CSPi, présentent un immense potentiel dans quatre domaines majeurs : la médecine régénérative et la transplantation, la modélisation de maladies, le criblage pour la découverte de médicaments et la biologie du développement humain. Le domaine continue d’évoluer des découvertes initiales vers l’expansion des applications cliniques, bien que des défis persistent — notamment le contrôle de la prolifération et de la différenciation cellulaire, la technologie de reprogrammation des CSPi restant 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 potentialité (capacité à se différencier en types cellulaires spécialisés dérivés de l’une des trois couches germinales primaires : ectoderme, endoderme ou mésoderme). Les chercheurs utilisent trois tests principaux pour évaluer la pluripotence dans des modèles murins.

Le test de formation de tératomes évalue la génération spontanée de tissus différenciés des trois couches germinales après transplantation de cellules chez des souris immunodéprimées. Le test de formation de chimères vérifie si les cellules souches contribuent au développement en les injectant dans des embryons précoces (blastocystes 2N) et en contrôlant si les cellules donneuses ont une capacité de transmission germinale, génèrent des gamètes fonctionnels et conservent l’intégrité chromosomique. Le test de complémentation tétraploïde (4N) détermine la capacité des cellules pluripotentes à former 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 (CSEh) sont prélevées sur des blastocystes au stade précoce (4-5 jours post-fécondation), soit par destruction du blastocyste source, soit par prélèvement de tissus à un stade plus avancé (jusqu’à 3 mois d’âge gestationnel). Elles ont été les premières cellules souches utilisées en recherche et restent couramment employées dans les essais cliniques aujourd’hui (comme en témoigne le suivi sur clinicaltrials.gov).

Les CSEh représentent l’étalon-or de la pluripotence mais soulèvent des préoccupations éthiques liées à la destruction d’embryons et des problèmes potentiels de rejet immunitaire lors de transplantation chez des patients. Malgré ces défis, elles continuent d’apporter des insights précieux en biologie du développement et servent de comparateurs importants pour les technologies plus récentes de cellules souches.

Cellules souches de type embryonnaire très petites (VSEL)

Un nouveau type de cellules souches pluripotentes, appelées cellules souches de type embryonnaire très petites (VSEL), a montré un potentiel prometteur depuis leur identification en 2006. Plus de vingt laboratoires indépendants ont confirmé leur existence, bien que certains groupes aient questionné leur validité. Ces cellules sont de petites cellules souches du développement précoce trouvées dans des tissus adultes qui expriment des marqueurs de pluripotence.

Les VSEL mesurent approximativement 3-5 micromètres chez la souris et 5-7 micromètres chez l’humain (légèrement plus petites que les globules rouges). Elles expriment des marqueurs de CSE incluant SSEA, Oct-4A nucléaire, Nanog et Rex1, ainsi que des marqueurs de cellules germinales primordiales migratrices comme Stella et Fragilis. Leur origine développementale pourrait être associée à des dépôts de lignée germinale dans les organes en développement durant l’embryogenèse.

Selon un modèle proposé en 2019, les VSEL proviennent de cellules germinales primordiales et se différencient en trois devenirs potentiels : cellules souches mésenchymateuses (CSM), hémangioblastes (incluant cellules souches hématopoïétiques et cellules progénitrices endothéliales) et cellules souches engagées tissulaires. En tant que cellules souches pluripotentes, les VSEL pourraient présenter l’avantage de pouvoir se différencier à travers les couches germinales chez l’animal ou l’humain adulte, fonctionnant potentiellement comme alternative aux cellules souches engagées tissulaires monopotentes chez l’adulte.

Les VSEL pourraient surmonter plusieurs problèmes associés à d’autres types de cellules souches : les controverses éthiques des CSE et le risque de formation de tératomes (tumeurs) des CSPi. Cela les rend particulièrement prometteuses pour les futures études sur les cellules souches et applications cliniques où ces préoccupations présentent des barrières significatives.

Cellules souches par transfert nucléaire (NTSC)

Découverte initialement en 1996, la technique de transfert nucléaire de cellules somatiques (TNCS) a progressivement évolué pour générer des cellules souches par transfert nucléaire (NTSC). Ce processus commence par l’implantation d’un noyau donneur provenant d’une cellule somatique pleinement différenciée (comme un fibroblaste) dans un ovocyte énucléé (cellule œuf dont le noyau a été retiré).

La nouvelle cellule hôte ovocyte déclenche alors une reprogrammation génétique du noyau donneur. De nombreuses divisions mitotiques de cette cellule unique en culture développent un blastocyste (environ 100 cellules au stade embryonnaire précoce), générant finalement un organisme avec un ADN presque identique à l’organisme original — un clone du donneur nucléaire. Le processus peut produire à la fois un clonage thérapeutique et reproductif.

La brebis Dolly (1996) fut le premier clone reproductif réussi d’un mammifère. Depuis, environ deux douzaines d’autres espèces ont été clonées. En janvier 2018, des scientifiques chinois de Shanghai ont annoncé le clonage réussi de deux singes macaques femelles utilisant des fibroblastes fœtaux par TNCS — les premiers primates clonés par cette méthode.

La création de 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, aidant à investiguer les mécanismes maladie et les cibles médicamenteuses tout en réduisant les facteurs confusionnels de variation génétique et le nombre d’animaux de laboratoire nécessaires. Cette technologie pourrait se combiner à l’édition génomique CRISPR-Cas9 pour créer des modèles de primates génétiquement modélisés pour des troubles humains comme la maladie de Parkinson et divers cancers.

Les compagnies pharmaceutiques ont exprimé une forte demande de singes clonés pour les tests médicamenteux. Enthousiasmés par cette perspective, Shanghai a priorisé le financement pour établir un Centre International de Recherche sur les Primates afin de produire des animaux de recherche clonés pour usage international. Le TNCS est unique parmi les approches de cellules souches car il peut générer un corps vivant entier plutôt que de simples couches de cellules, tissus ou fragments d’organes, lui conférant des avantages fonctionnels biophysiologiques sur les CSE et CSPi tant pour la recherche fondamentale que l’application clinique.

Cellules souches reprogrammées (RSC)

Depuis 2006, lorsque Yamanaka et ses collègues ont généré pour la première fois des cellules souches pluripotentes induites (CSPi), les technologies de reprogrammation ont significativement progressé. Ceci est particulièrement vrai pour les méthodes de reprogrammation directe tant en laboratoire (in vitro) qu’au sein d’organismes vivants (in vivo) pour produire des lignées tissulaires spécifiques utilisant des facteurs de transcription à restriction lignagère, des modifications de signalisation ARN et de petites molécules ou composés chimiques.

Ces approches directes sautent l’étape CSPi, produisant des cellules plus précises comme les cellules progénitrices neurales induites (CPNi) qui sont plus proches des lignées cellulaires cibles comme les cellules neurales et les motoneurones subséquents. Les cellules souches reprogrammées (RSC) sont dérivées en appliquant toute méthode de laboratoire pour reprogrammer les signaux génétiques de cellules primaires, excluant la technique TNCS.

Pour surmonter les défis éthiques et immunogéniques associés aux CSEh, les CSPi ont émergé comme une alternative prometteuse puisqu’elles sont dérivées de tissus somatiques adultes. Les sources de CSPi humaines — incluant sang, peau et urine — sont abondantes. Parce que les CSPih peuvent être prélevées sur des patients individuels, le rejet immunitaire peut être évité lorsqu’elles sont transplantées chez le même patient (transplantation autologue).

Les chercheurs ont développé des méthodes pour obtenir des CSPih à partir de cellules tubulaires rénales présentes dans l’urine. Un protocole nécessitant seulement un échantillon d’urine de 30 ml est simple, relativement rapide, économique et universel (applicable à des patients de tous âges, genres et origines raciales/ethniques). La procédure totale implique juste 2 semaines de culture cellulaire et 3-4 semaines de reprogrammation, produisant des rendements élevés de CSPi avec un excellent potentiel de différenciation.

Les CSPi dérivées d’urine collectées à partir d’échantillons de 200 mL d’urine mid-stream propre via le système de délivrance par virus Sendai ont montré un caryotype normal (structure chromosomique) et exhibé un potentiel de différenciation en les trois couches germinales dans les tests de tératomes. Une sous-population de cellules isolées d’urine a affiché des caractéristiques de cellules progénitrices, incluant l’expression de marqueurs de surface cellulaire c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 et CD44 qui peuvent distinguer parmi les lignées cellulaires vésicales (urothéliale, muscle lisse, endothéliale et interstitielle), en faisant une source cellulaire alternative prometteuse.

Cellules souches adultes

Les cellules souches adultes représentent une autre catégorie importante de cellules souches trouvées dans divers tissus à travers l’organisme. Contrairement aux cellules souches pluripotentes, celles-ci sont typiquement multipotentes — capables de se différencier en une gamme limitée de types cellulaires spécifiques à leur tissu d’origine.

Les sources courantes incluent la moelle osseuse, le tissu adipeux, la pulpe dentaire et divers organes. Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) figurent parmi les cellules souches adultes les plus étudiées et ont montré des résultats prometteurs dans le traitement des pathologies inflammatoires, la promotion de la réparation tissulaire et la modulation des réponses immunitaires.

Bien que moins polyvalentes que les cellules souches pluripotentes, les cellules souches adultes présentent des avantages incluant moins de préoccupations éthiques, un risque réduit de formation tumorale et une utilisation clinique établie dans des procédures comme la greffe 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 transplantation de cellules rétiniennes et de transplantation médullaire.

Le domaine continue de relever les défis liés au contrôle de la prolifération et de la différenciation cellulaire. Les chercheurs examinent systématiquement les questions méthodologiques incluant : l’induction de la pluripotence par modifications génomiques ; la construction de nouveaux vecteurs avec facteurs de reprogrammation ; la promotion de la pluripotence des cellules souches pluripotentes induites (CSPi) par petites molécules et voies de signalisation génétique ; l’amélioration de la reprogrammation par microARN ; l’induction et l’augmentation de la pluripotence des CSPi par agents chimiques ; la génération de types cellulaires différenciés spécifiques ; et le maintien de la pluripotence et de la stabilité génomique des CSPi.

Ces sujets sont cruciaux pour maximiser l’efficacité de la génération et de la différenciation des CSPi en préparation de la translation clinique. Les avancées en culture cellulaire incluent la culture sans cellules nourricières, les milieux sans xénogreffe (évitant les produits animaux) et diverses techniques assistées par biomatériaux. Les technologies d’impression tridimensionnelle (3D) cellulaire et de bio-impression représentent des directions particulièrement prometteuses, ainsi que les ressources en cellules souches pluripotentes (CSP) et la reprogrammation cellulaire directe de deuxième génération dans les organismes vivants.

Les objectifs à long terme de la recherche et de la clinique sur les cellules souches se concentrent sur le développement de traitements sûrs et efficaces pour des diagnostics incluant les maladies neurodégénératives, les lésions médullaires, les cardiopathies, le diabète et de nombreuses autres pathologies où le remplacement cellulaire ou la régénération tissulaire pourraient apporter des bénéfices thérapeutiques.

Considérations éthiques

La recherche sur les cellules souches continue de naviguer des considérations éthiques importantes, particulièrement concernant les cellules souches embryonnaires et les technologies de clonage. La destruction d’embryons humains pour la recherche sur les cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) reste controversée dans de nombreuses sociétés et est régulée différemment selon les pays.

Les technologies émergentes comme les CSPi aident à adresser certaines préoccupations éthiques en fournissant des sources alternatives de cellules pluripotentes sans destruction d’embryon. Cependant, de nouvelles questions éthiques émergent concernant la manipulation génétique, le consentement pour le don cellulaire et l’accès équitable aux thérapies résultantes.

La communauté internationale de recherche continue de développer des lignes directrices et régulations pour assurer un progrès éthique dans la recherche sur les cellules souches tout en maximisant les bénéfices potentiels pour les patients souffrant de diverses maladies et diagnostics.

Information sur la source

Titre original de l’article : Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

Auteurs : 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 vulgarisé est basé sur une recherche évaluée par les pairs et vise à rendre accessibles des informations scientifiques complexes tout en préservant toutes les découvertes et données essentielles de la publication originale.