Introduction aux cellules souches

Introduction et propriétés des cellules souches

• Le développement d'un organisme pluricellulaire implique l'évolution de divers tissus et organes.
• La différenciation cellulaire est une transformation profonde à l'échelle cellulaire.
• Les cellules indifférenciées, ou cellules souches, n'appartiennent à aucun type de cellule spécifique.
• Elles peuvent se diviser ou entrer dans un processus de différenciation selon les signaux reçus.
• La différenciation cellulaire est un processus continu qui passe par différentes étapes, transformant une cellule indifférenciée en une cellule différenciée avec une structure et des fonctions spécifiques.
• En 1963, Ernest McCulloch et James Till ont découvert que les cellules sanguines proviennent d'un unique type de cellule capable de s'auto-renouveler et de se différencier.

Propriétés des cellules souches

• Les cellules souches n'ont pas de caractère phénotypique visible ni de fonction spécifique associée à un tissu, étant donné leur état "indifférencié".
• Elles ont la capacité de s'auto-renouveler pendant de longues périodes par division cellulaire.
• Elles peuvent se différencier en une cellule hautement différenciée ou spécialisée sous certaines conditions physiologiques ou expérimentales.

Capacité d'auto-renouvellement

• Théoriquement, l'auto-renouvellement dure toute la vie de l'individu et peut être observé en culture cellulaire sur une période infinie.
• L'objectif principal est de garantir un nombre constant de cellules souches dans l'organisme.

Effets de l'auto-renouvellement

• Division cellulaire symétrique : une cellule souche mère donne naissance à deux cellules souches filles identiques.
• Division cellulaire asymétrique : une cellule souche mère donne naissance à une cellule souche fille identique et à une cellule progénitrice, qui entre dans un processus de différenciation.

Capacité de différenciation

• Le but est d'assurer la formation et le renouvellement des cellules spécialisées de l'organisme.
• La différenciation est déclenchée par divers signaux internes (de la cellule elle-même) et externes (sécrétés par d'autres cellules).
• Le microenvironnement cellulaire, notamment les signaux produits au niveau des contacts intercellulaires, joue un rôle.

Changements Phénotypiques

• Changements qualitatifs (modification du transcriptome/protéome) : apparition de nouvelles protéines entraînant de nouvelles fonctions.
• Changements quantitatifs : augmentation ou diminution de la synthèse de certaines protéines.

Étapes de différenciation

• Cellule souche → progéniteurs → précurseurs → cellules différenciées.
• L'homme possède environ 200 types de cellules différenciées.

Classification selon le potentiel régénérateur

• Les cellules souches totipotentes ont la plus grande capacité d'auto-renouvellement et le plus grand potentiel régénérateur.
• Ce sont les seules capables de permettre le développement d'un individu complet, issues des premières divisions de l'œuf fécondé jusqu'au stade de 8 cellules.
• Les cellules souches pluripotentes peuvent former tous les tissus de l'organisme, mais elles ne peuvent pas, seules, être à l'origine d'un individu.
• Elles proviennent des trois tissus primaires de l'embryon (endoderme, ectoderme, mésoderme) et sont appelées cellules souches embryonnaires (CSE).
• Elles sont présentes jusqu'à une centaine dans la masse embryonnaire de l'embryon jusqu'au stade blastocyste.
• Les cellules souches multipotentes peuvent donner naissance à plusieurs types de cellules, mais sont déjà engagées dans une certaine direction et se trouvent dans les tissus fœtaux ou adultes, comme les cellules souches neuronales ou hématopoïétiques.
• Ces cellules conservent des capacités d'auto-renouvellement.
• Les cellules souches unipotentes ne peuvent produire qu'un seul type de cellule, tout en s'auto-renouvelant, mais faiblement et se trouvent principalement chez l'adulte, comme les cellules souches de la peau ou du foie.

Notions de risque immunogène

• Le système de reconnaissance du soi repose sur le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH), qui permet aux cellules immunitaires de reconnaître les cellules d'un organisme comme lui appartenant.
• Le système immunitaire utilise ces marqueurs pour distinguer les cellules du soi de celles du non-soi (virus, bactéries, greffes) et éviter d'attaquer les propres cellules de l'organisme, sauf en cas de maladies auto-immunes.

Différents types de cellules souches

• Cellules souches embryonnaires.
• Cellules souches fœtales.
• Cellules souches de sang de cordon.
• Cellules souches adultes.

Cellules souches embryonnaires humaines

• Les cellules souches embryonnaires humaines produisent des progéniteurs qui se différencient en cellules spécialisées créant des tissus et des organes.
• Elles sont pluripotentes avec une capacité illimitée d'auto-renouvellement et sont peu immunogènes, exprimant peu de marqueurs du CMH et étant peu attaquées par le système immunitaire.
• Elles proviennent d'embryons surnuméraires au stade blastocyste ou par clonage thérapeutique.

À partir d'embryons surnuméraires au stade blastocyste

• Le prélèvement de cellules souches embryonnaires humaines (CSEH) se fait sur des embryons surnuméraires issus d'une fécondation in vitro (FIV) et non utilisés, au stade blastocyste.
• Cette procédure détruit l'embryon.
• Ces cellules peuvent être cultivées en laboratoire à l'infini tout en conservant leur pluripotence et un génome intact, permettant d'obtenir des millions de cellules.
• Elles peuvent se différencier en progéniteurs, puis en cellules hautement spécialisées correspondant à différents tissus comme le cœur, le sang ou les neurones.

Clonage thérapeutique

• La finalité est de récolter des cellules souches embryonnaires pour la recherche sur des traitements potentiels.
• L'embryon sert à fabriquer ces cellules et implique plusieurs étapes : récupération et énucléation d'un ovocyte, transfert du noyau d'une cellule somatique d'un donneur dans l'ovocyte.
• Le génome de la cellule somatique est reprogrammé à l'état juvénile par l'environnement cytoplasmique de l'ovocyte, lui permettant de s'exprimer et de se diviser jusqu'au stade blastocyste.
• Les cellules souches récupérées sont identiques à celles du donneur, avec une possible utilisation thérapeutique chez le donneur lui-même, sans incompatibilité immunitaire, ainsi qu'en recherche.
• La reproduction est autorisée, mais avec un encadrement fort.

Clonage Reproductif

• Mécanisme similaire au clonage thérapeutique, mais l'embryon obtenu est implanté dans l'utérus pour obtenir un clone, un nouvel organisme identique à la cellule adulte donneuse.
• Interdit chez l'homme en France, mais autorisé chez les animaux.

Débat Ethique

• Le débat éthique se concentre sur le statut de l'embryon (chose ou personne) et sur la destruction de l'embryon ou le clonage à visée thérapeutique.
• La création d'embryons à des fins non reproductives soulève des risques de clonage reproductif et de trafic d'ovocytes humains et d'embryons.

Cellules Souches Foetales

• Elles sont multipotentes, avec une capacité d'auto-renouvellement plus faible que les cellules souches embryonnaires et une immunogénicité plus élevée.
• Elles sont isolées à partir de fœtus résultant d'avortements et de tissus fœtaux à un stade de 5 à 9 semaines

Cellules souches de sang de cordon ou placentaires

• Localisation anatomique : cordon ombilical, placenta.
• Les cellules sont multipotentes.
• Elles proviennent de la récolte du sang de cordon après l'accouchement, sur le cordon ombilical et sont faciles à prélever et à conserver dans les banques de sang.
• Elles offrent une alternative aux CSE humaines prélevées sur des embryons via la FIV ou un clonage thérapeutique.
• Le sang placentaire est moins immunogène que la moelle osseuse, réduisant le risque de rejet de greffe.
• Les greffes ou transplantations de sang de cordon sont utilisées depuis des années pour traiter certaines pathologies comme les leucémies, la drépanocytose et certaines déficiences du système immunitaire.

Cellules Souches Adultes

• Rôle : participation au renouvellement et à la réparation des tissus adultes.
• Caractéristiques : multipotentes ou unipotentes, capacité d'auto-renouvellement limitée.
• Généralement, les cellules sont présentes en faible proportion dans la majorité des tissus et cantonnées dans des zones particulières appelées niches.
• Sources de cellules souches adultes : difficile à isoler en raison de leur faible quantité et de l'accès difficile aux niches (sauf pour les cellules souches hématopoïétiques).

Notion de Niche

• La niche est un ensemble de tissus et de matrices extracellulaires qui peuvent indéfiniment héberger des cellules souches et contrôler leur auto-renouvellement et leur production cellulaire in vivo.
• Les fonctions de la niche sont de protéger l'intégrité de la fonction des cellules souches, de participer à la régulation des divisions cellulaires symétriques et asymétriques.
• La niche a aussi pour but de protéger l'organisme de la prolifération anarchique des cellules souches et réguler l'implication des cellules souches dans la régénération, la maintenance et la réparation des tissus.

Cellules Souches Neurales

• Ces cellules sont multipotentes.
• Le dogme de la fixité neuronale dit que les cellules neurales ne sont pas remplacées et que le système nerveux central des mammifères n'a pas de population de cellules souches et que le nombre de cellules neurales décroît avec l'âge.
• En 1996, remise en question du dogme de la fixité neuronale avec la mise en évidence de cellules capables de s'auto-renouveler dans le cerveau (neurogenèse).
• L'utilisation de BrdU, analogue de nucléotide incorporé dans l'ADN lors de la réplication, est un indicateur de la prolifération tumorale révélé par immunofluorescence.
• L'examen de cellules fluorescentes dans l'hippocampe chez des patients traités révèle que certaines cellules se répliquent et se divisent (cellules souches neurales).
• Ces cellules se trouvent dans le ventricule latéral et l'hippocampe et donnent naissance à des progéniteurs neuronaux (neurones) et gliaux (astrocytes ou oligodendrocytes).

Cellules Souches Hématopoïétiques (CSH)

• Ces cellules sont multipotentes.
• Les CSH sont à l'origine des cellules sanguines.
  • Plaquettes : jouent un rôle dans l'hémostase.
  • Érythrocytes (globules rouges) : transportent l'O2 et le CO2.
  • Leucocytes (globules blancs) : cellules du système immunitaire (monocytes/macrophages, polynucléaires/granulocytes, lymphocytes).
• Les CSH se trouvent principalement dans la moelle osseuse chez l'adulte et dans le sang de cordon, mais aussi en quantité moindre dans le sang périphérique.

Hématopoïèse

• Les cellules souches hématopoïétiques assurent le renouvellement continu et régulé des cellules sanguines.
• La durée de vie des cellules sanguines est variable (plaquettes : 10 jours, polynucléaires : 24 heures, érythrocytes : 120 jours (1 % remplacé)).
• La différenciation des CSH en cellules sanguines matures se déroule exclusivement dans la moelle osseuse.

Facteurs de croissance

• Il y a des facteurs de Croissance : SCF et CSF.
• Il y a une différenciation, la prolifération et la maturation des cellules de l'hématopoïèse sont assurées par des cytokines.
• L'EPO (érythropoïétine) permet la croissance de la lignée des globules rouges.
• La TPO (thrombopoïétine) se fixe sur des récepteurs tyrosine-kinase des progéniteurs des neutrophiles et active diverses voies (MAPK/Ras) impliquées dans la prolifération et la différenciation.

Facteur de croissance granulocytaire (G-CSF)

• G-CSF active diverses voix impliquées dans la prolifération et la différenciation.
• G-CSF se fixe sur des récepteurs Tyrosine-kinase de progéniteurs des neutrophiles.

Critères d'identification

• Les marqueurs à la surface des membranes diffèrent entre une cellule souche et un progéniteur.
• L'absence ou la présence de marqueurs évoluent au cours de différenciation.
• Ça dépend de l'activation ou de la répression de certains gènes.
• La différenciation des cellules souches, des progéniteurs et des cellules différenciées se fait en fonction de la combinatoire des marqueurs présents et absents. En exemple, il y a les CD34 et le C-kit.

Sources des CSH

• Ponction de moelle osseuse qui est lourde et invasive.
• Sang de cordon ombilical qui est une collecte aisée, mais son volume est faible.
• Sang périphérique qui est le plus répandu et prélevé par cytaphérèse.

Cellules Souches Pluripotentes Induites (IPS)

• Les cellules IPS sont une alternative aux CESh.
• Elles sont issues de cellules somatiques adultes différenciées qui ont été reprogrammées.
• La Reprogrammation : transfert de gènes induisant l'état de pluripotence (Découvert en 2007).

Obtention des cellules IPS :

• Transfert de 4 gènes maitre grâce l'aide de rétrovirus, qui vont s'exprimer dans la cellule somatique.
• Les gènes maîtres sont OCT-3/4, Sox2, Kfl4 et с-Мус et sont des facteurs de transcription qui vont commander une multitude de gènes impliqués dans la reprogrammation de la cellule somatique en une cellule souche juvénile.
• Cependant l'intégration dans le génome de la cellule n'est pas contrôlée ce qui crée un potentiel risque de transformation en cellule cancéreuse.

Caractéristiques similaires au CSEH

• Elles sont pluripotentes soit différenciation en n'importe quel type de cellule.
• Mêmes marqueurs de surface.
• Possèdent une activité télomérase élevée permettant le maintien des télomères aux extrémités des chromosomes.

Reprogrammation épigénétique

• Profil d'expression des gènes via des << heat maps >> : Même profil d'expression entre les cellules iPS et les CSEh.
• Expression des gènes associés à la pluripotence : Notion de marqueur spécifique.
• Réexpression des gènes associés :
  • les potentiels gènes de la pluripotence se font grâce à l'épigénétique
  • Déméthylation et le remodelage de chromatine.

Potentials thérapeutiques des cellules souches

• Associées à leurs propriétés : De différenciation et d'Auto- renouvellement.
• Intérêt : Substitution à la greffe de tissus ou d'organes.

Idéalement

• Reconstituer tous les tissus à partir de cellules souches.
• Réduire le risque immunogène : réparation de l'organe à partir des propres cellules souches adultes du patient.
• Palier au déficit d'organes disponibles: utilisation de cellules souches de sang de cordon.

La médecine régénérative nécessite :

• Une mise en œuvre délicate : un organe est un édifice complexe qu'il faudrait pouvoir reconstituer Risques liés à la dérive tumorale des cellules
• Usage de cellules souches en médecine régénérative encore du domaine de la recherche dans la plupart des cas.

Greffes de CSH

• Autogreffe : Le donneur est le patient lui-même.
• Un traitement par chimiothérapie anticancéreuse d'une leucémie entraîne une aplasie de la moelle osseuse = destruction des cellules de la lignée hématopoïétique.
• D'ou l'utilisation d' d'un greffon constitué de CSH issues du sang périphérique permettra de recoloniser la molle.
• Allogreffe : Le receveur est différent du donneur.
• Utilise dans divers cas: leucémies, maladies du système immunitaire, thalassémies
• Greffon de CSH : De la moelle osseuse, Du sang périphérique, Du sang du cordon. Donneur et receveur devant tre compatibles au niveau du CMH.

Cellules souches alliées à la thérapie génique

• Maladie génétique est due à une mutation dans le gne de la -globine à l'origine d'une hémoglobine anormale et donc une Oxygénation incorrecte des tissus nécessitant une transfusion tous les mois.
• Traitement : Prélèvement de moelle osseuse chez le patient atteint de -thalassémie ou l'extraction des cellules souches hématopoïétiques défectueuses.
• Infection in vitro de ces cellules souches par un rétrovirus portant le gne de -globine normale Insertion du gne thérapeutique dans le génome des cellules.
• Chimiothérapie du patient afin de détruire les cellules souches malades et pour finir, injection des cellules souches modifiées qui vont prolifrer remplacer les cellules originales.
• Traitement efficace, mais peu répandu à causa des Risque de cancer et approche est lourde et manipulation complexe.

Les cellules souches cancéreuses

• Elles sont résistantes à la chimiothérapie et à la radiothérapie.
• Elles les seules capables de générer de nouvelles tumeurs et sont a l'origine de métastases et de récidives.
• Il est donc impérative de détruire les cellules souches cancéreuses afin d'éradiquer la tumeur Cependant, il est difficile de les cibler car Les celles sont présentes en faible proportion dans les tumeurs. Característiques
• Caractère multipotente et capacitate d'auto-renouvellement
• Mêmes voies de signalisation et les marques de surfaces
• Leur origine fait débat soit dérivant d'une cellule souche normale dont lesquelles mécanismes d'auto-renouvellement seraient dérégulés.

Recherche de molécules actives ciblant spécifiquement les cellules souches cancéreuses

• Utilisation de lignées cellulaires enrichies en cellules souches cancéreuses dans le cadre de tests 16000 molécules.
• Découverte en 2009 : Révélation de 32 molécules toxiques dont la salinomycine qui est 100 fois plus efficace sur les cellules souches cancéreuses que le paclitaxel.
• La recherche vise mettre au point de nouvelles molécules thérapeutiques analogues la salinomycine.
• En 2017 : La salinomycine entraine un appauvrissement en fer dans cytoplasme des cellules souches cancéreuses et un enrichissement en fer dans les lysosomes
• Donc augmentation du nombre de dérivés réactifs de l'oxygène et ferroptose.