Médecine Régénérative et Cellules Souches

Utilisation des cellules souches en recherche fondamentale pour une médecine régénérative

• La médecine régénérative vise à traiter les maladies dues à une mort cellulaire inappropriée et massive.
• Certaines maladies concernées sont: les déficiences immunitaires sévères, le diabète, les lésions de la moelle épinière, la démyélinisation des nerfs, la maladie de Parkinson et l'infarctus du myocarde.
• La médecine régénérative implique une thérapie de remplacement ou un "rechange" des cellules manquantes, produites à partir de cellules souches ou de progénitrices, ou de cellules adultes différenciées (par reprogrammation cellulaire).
• Ceci représente une approche thérapeutique cellulaire.

Médecine régénérative: deux approches

• La génération ex vivo de cellules de remplacement à partir de cellules souches dérivées du patient (moelle, cellules ES ou cellules iPS)
• L'exploitation de la capacité de régénération intrinsèque de l'organe

Qu'est-ce qu'une cellule souche ?

• Une cellule souche est une cellule indifférenciée capable de se diviser de manière asymétrique pour produire une cellule identique et une autre cellule spécialisée (cellule engagée, cellule différenciée).
• Les cellules souches sont des cellules indifférenciées.

Potentiel de différenciation cellulaire

• Une cellule "juvénile" / indifférenciée a un potentiel de différenciation illimité.
• Une cellule "souche" (pluripotente) peut donner tous les tissus de l’organisme (ecto-, méso- et endoderme)
• Une cellule "progénitrice" (multipotente) peut donner tous les types cellulaires d'un tissu (ex: cellules souches du sang).
• Une cellule "précurseur" (unipotente) a un potentiel de différenciation restreint: elle ne peut donner qu'un seul type cellulaire mature.
• Une cellule différenciée est une cellule spécialisée.

Cellules souches adultes

• Oui, il existe des cellules souches chez l'adulte (ex : cellules souches hématopoïétiques, cellules souches neurales) et il s'agit d'un système de réparation du corps.
• Les cellules souches indifférenciées et multipotentes persistent dans l'organisme adulte.

Traitement des leucémies

• Les cellules souches hématopoïétiques sont utilisées dans le traitement des leucémies.
• Les cellules souches sont multipliées en culture cellulaire et transplantées au patient.

Cellules souches embryonnaires (ES cells)

• Les cellules souches embryonnaires sont pluripotentes.
• Elles sont obtenues à partir de la masse cellulaire interne du blastocyste après environ 5 jours de développement.

Organoïdes, embryoïdes et gastruloïdes

• Les organoïdes sont des versions miniatures simplifiées d'un organe, fabriqués in vitro avec une micro-anatomie.
• Les embryoïdes sont des versions d'un embryon précoce (blastoïde).
• Les gastruloïdes sont des modèles in vitro d'un embryon pendant la gastrulation.
• Ils sont issus de cellules souches embryonnaires (ESC) ou de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) ou d'autres cellules souches tissulaires.
• Ils peuvent s'auto-organiser en structures tridimensionnelles.

Thérapie cellulaire du diabète

• La transplantation d'îlots pancréatiques est une approche courante.
• L'utilisation des cellules souches embryonnaires (cellules ES) et des cellules pluripotentes induites (cellules iPS) est en recherche biomédicale.

Diabète

• Le diabète présente différentes formes (insipide, type I, type II, gestationnel).
• Le diabète insipidus est caractérisé par un défaut en ADH (vasopressine).
• Le diabète de type II est une déficience relative d'insuline (résistance à l'insuline; obésité).
• Le diabète de type I est un manque absolu d'insuline dû à la destruction des cellules productrices d'insuline.

Pancréas murin

• Le pancréas murin est composé principalement d'un tissu exocrine (99%) et d'îlots pancréatiques (1%).

Ilot de Langerhans

• Les îlots de Langerhans sont les structures spécialisées du pancréas.
• Les cellules principales dans ces îlots sont les cellules β (70-80% d'insuline), cellules α (15% de glucagon), cellules δ (4-5% de somatostatine) et les cellules PP (1%).

Clonage thérapeutique (SCNT)

• Technique de clonage visant à produire des cellules souches embryonnaires à partir de cellules somatiques d'un patient.
• Le noyau d'une cellule du patient est transféré dans un ovule énucléé.

Clones de singes en Chine

• Des biologistes ont créé les premiers primates clonés à l'aide d'une technique similaire au clonage de Dolly la brebis.
• Les primates clonés pourraient servir de modèle animal d'études de maladies chez l'homme (cancer, maladie de Parkinson, etc.).

Cellules souches embryonnaires humaines

• La technologie de SCNT a été envisagée pour produire des cellules souches embryonnaires à partir de cellules somatiques du patient.
• Les tentatives de produire des cellules souches embryonnaires humaines via le SCNT ont été de produire un embryon normal.

Production de cellules hES à partir d’un patient diabétique

• La fécondation in vitro des ovocytes du patient.
• Le transfert du noyau de la cellule somatique du patient dans l’ovocyte.

Clonage thérapeutique, en théorie...

• Le transfert du noyau de la cellule somatique du patient dans un ovule énucléé.
• Le développement de l’embryon jusqu’au blastocyste.
• L'obtention de cellules souches embryonnaires pluripotentes.
• L’injection dans le pancréas.
• La différenciation en cellules pancréatiques β.

Obtention de cellules souches embryonnaires

• Les cellules souches embryonnaires sont issues de la masse cellulaire interne du blastocyste.
• Le blastocyste est un embryon au stade de développement précoce (5 jours environ après la fécondation).

Les cellules souches « embryonnaires » (cellules ES)

• Elles sont pluripotentes

Organoïdes, embryoïdes et gastruloïdes

• Les modèles in vitro d’un embryon, constitués de cellules souches embryonnaires ou pluripotentes induites, offrent de nouvelles perspectives pour étudier la gastrulation et la production d’ovocytes.
• Ils ont un rôle essentiel dans le développement et la biologie de reproduction grâce à la reconstitution des processus de gamétogénèse.

Qu'en est-il chez l'Homme?

• Dans le diabète de type I, quelques-unes des cellules β pourraient persister. Cependant, leur origine et leur capacité exacte de régénération pourraient différé.
• L'ablation du pancréas chez des enfants avec tumeurs se résolvent souvent chez des diabétiques dans des conditions appropriées et les patients redeviennent souvent normo-glycémiques.
• Une régénération par une conversion cellulaire est suggérée.

Régénération du pancréas adulte

• Le pancréas adulte des mammifères a la capacité intrinsèque de régénérer des cellules à insuline suite à leur perte totale.
• Les cellules productrices de glucagon, de somatostatine et de polypeptide pancréatique pourraient se reprogrammer naturellement pour produire de l'insuline.
• Cette capacité est basée sur la plasticité cellulaire.

Comment étudier la régénération pancréatique?

• Utilisation de souris transgéniques pour modéliser le diabète et l'étudier plus précisément
• Des cellules B peuvent être traitées avec une toxine pour la rendre sensible au traitement.
• Deux types d'expérience chez la souris: ablation cellulaire et traçage des lignées cellulaires.

Production de souris transgéniques

• Production de souris transgéniques par micro-injection dans le zygote
• Utilisation de modèles: 1. ADN (intégration au hasard; transgenèse «classique»),

2. Cas9 + guide RNA + ADN à insérer (intégration dirigée, souris knock-in).

Marqueurs de cellules alpha (a)

• Les cellules a sont marquées irréversiblement, grâce à des modèles de souris transgéniques (glucagon-Cre; R26R).

Origine des cellules à insuline

• Les cellules α (glucagon) se convertissent en cellules β (insuline) après destruction des cellules β.
• Les nouvelles cellules β produites sont des cellules α réprogrammées.

Conclusion intermédiaire

• Les cellules α se convertissent en cellules β avec un rendement faible (2%).
• La capacité de régénération est présente à long terme aussi chez les souris plus âgées.

L'insuline agit comme frein

• L'insuline agit comme un frein qui limite la plasticité des cellules alpha.
• Les signaux répressifs maintiennent l'identité des cellules.

Qu'en est-il chez l'Homme?

• Il existe des observations suggérant la possibilité de régénération par conversion cellulaire à partir de cellules δ.
• Dans le diabète de type 1 humain, quelques cellules β persitent plusieurs années.

Production de cellules iPS

• La production de cellules iPS, a permis de contourner les problèmes éthiques liés à la production de cellules souches embryonnaires

Modification du génome à la carte (CRISPR/Cas9)

• La technologie CRISPR/Cas9 permet de modifier le génome « à la carte », en vitro et in vivo.
• Elle peut être utilisée pour modifier des gènes précis et introduire de nouveaux gènes.

Pertinence clinique des cellules iPS

• Les cellules iPS ont des applications potentielles passionnantes dans la modélisation de maladies et la découverte de médicaments.
• Elles permettent l'utilisation de la thérapie de remplacement.
• Elles peuvent être ciblées par une thérapie génique

Modèle de chimérisme porc/humain

• La technique de modèles de chimérisme est utilisée pour créer des organes humanisés en introduisant des cellules iPS humaines dans des blastocystes de porc.
• Cela permet d'étudier des maladies chez l'homme et de créer de nouvelles approches thérapeutiques en utilisant la capacité de régénération des cellules souches des animaux.

Médecine régénérative: deux approches

• Cette technique est utilisée pour générer de nouvelles cellules souches dérivées de tissus du patient.
• Une autre technique consiste à utiliser la capacité interne de régénération (intrinsèque) de l'organe.

L’étonnante capacité de régénération du foie...

• Le foie présente une étonnante capacité de régénération.

Régénération du pancréas adulte

• Les cellules α se reprogramment pour produire de l’insuline, et cela n’est pas efficace, seulement 2% de cellules ayant cette capacité.
• Le pancréas adulte conserve sa capacité de régénération.

Système de cellules souches des animaux

• Les animaux présentent un système de réparation intrinsèque du pancréas.

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