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Cellules souches : une vaste descendance… de théories
Pathologie Biologie 52 (2004) 123–126 www.elsevier.com/locate/patbio
Éditorial
Cellules souches : une vaste descendance... de théories Current advances in stem cell biology Mots clés : Cellules souches hématopoïétiques ; Cellules souches embryonnaires ; Fusion cellulaire ; Différenciation Keywords: Hematopoietic stem cells; Embryonic stem cells; Cell fusion; Differenciation
On ne peut aujourd’hui qu’être frappé par l’ampleur des progrès qui ont jalonné, depuis seulement quelques années, la recherche sur les cellules souches, allant parfois jusqu’à bouleverser des dogmes que l’on aurait cru, il y a seulement dix ans, inébranlables. Après la découverte de cellules souches dans la plupart, voire dans tous les tissus (ce qui constituait une révélation), une suspicion est venue s’ajouter récemment : certaines d’entre elles demeureraient douées d’un potentiel quasi universel, représentant une sorte de reliquat de l’embryon disséminé au sein des tissus de l’adulte. Outre leur intérêt pour notre compréhension de la biologie du développement, ces observations et les recherches qui en découlent ouvrent des perspectives insoupçonnées sur la médecine régénératrice de demain. La notion de cellule souche, née au XIXe siècle, est longtemps restée confinée à la biologie du développement. L’observation de tissus activement et constamment renouvelés chez l’adulte, comme l’épithélium intestinal et surtout le sang, a néanmoins révélé que des cellules souches persistent et fonctionnent bien après que le développement embryonnaire ait été achevé. Dans le cas de l’hématopoïèse, la disponibilité dès le début des années 1960 de tests sensibles et quantitatifs, in vivo et en culture, a permis d’envisager la caractérisation des progéniteurs des cellules du sang. Les travaux qui se sont succédé dans ce sens pendant près de deux décennies ont abouti, chez la souris puis chez l’homme, à l’identification puis à la caractérisation de rares cellules marquées par l’expression de combinaisons d’antigènes de surface et présentant les caractéristiques fonctionnelles attendues de cellules souches hématopoïétiques. On a aussi réalisé que la plupart des tissus de l’organisme, voire tous, sont renouvelés régulièrement, sinon rapidement, et peuvent être réparés en cas de lésion. Alors que se poursuivait la recherche de différents types de cellules souches spécifiques de tissus, des observations suggérant que des filiations inattendues peuvent exister entre des tissus distincts ne partageant aucune origine embryonnaire ont été rapportées à partir de © 2004 Elsevier SAS. Tous droits réservés. doi:10.1016/j.patbio.2003.06.007
1998, et ceci même chez l’adulte. A alors été ravivée la notion de « plasticité » des cellules qui, bien que déjà engagées dans un lignage donné, demeureraient capables de se « transdifférencier » vers une autre voie. Cependant, au même moment était également évoqué le fait que des cellules souches multipotentes, très semblables à des cellules souches embryonnaires, persistent dans les tissus de l’adulte. On peut penser qu’à l’avenir une gamme étendue de cellules thérapeutiques pouvant être utilisées pour régénérer des organes lésés ou déficients pourrait être disponible. À cette liste s’ajoutent les cellules souches embryonnaires, ou cellules ES, dont des lignées humaines existent maintenant et dont la multipotence permet d’envisager des utilisations diverses et particulièrement attrayantes en médecine régénératrice. On est cependant bien loin d’avoir clairement établi le potentiel réel de ces différentes générations de cellules souches, et discerné les éventuelles complications pouvant être liées à leur utilisation. Bien plus, la notion de plasticité des cellules des tissus adultes, sans doute trop hâtivement acceptée, est maintenant remise en question. Une certaine confusion règne donc à l’heure actuelle dans ce domaine dont nous essayons ici de rendre compte.
1. Le modèle : la cellule souche hématopoïétique Les cellules souches du sang demeurent, et de loin, les mieux caractérisées. Il y a plus d’un siècle que leur existence a été évoquée chez l’embryon et depuis 40 ans leur présence a été montrée expérimentalement dans les tissus hématogènes. À la fin des années 1980, une population homogène de cellules souches hématopoïétiques a été identifiée et purifiée chez la souris. Ces cellules sont, même en faible nombre, radioprotectrices et redonnent naissance à un système hémato-lymphoïde complet chez l’animal irradié [1]. Peu après, par une approche expérimentale similaire, une population candidate de cellules souches hématopoïétiques hu-
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maines a été identifiée [2], puis transplantée chez des patients souffrant de cancer du sein métastatique ou de lymphome [3]. Au-delà de leur identification par leur phénotype, les cellules souches hématopoïétiques ont été encore fractionnées en fonction de leur activité de prolifération, reflétée par exemple par leur affinité pour un colorant supravital comme la rhodamine 123, les cellules souches les plus primitives étant essentiellement au repos mitotique. On est ainsi parvenu à sélectionner une fraction infime des cellules nucléées de la moelle osseuse (environ 1/10 000 chez la souris) capables de repeupler de façon permanente l’ensemble des lignées hémato-lymphoïdes [4]. La structure arborescente du système sanguin, où les cellules souches fondatrices donnent naissance à des générations de progéniteurs aux potentiels graduellement restreints [4], a fourni le modèle de régénération autour duquel s’articule généralement la recherche de cellules souches dans d’autres tissus.
La plupart, voire tous les tissus de l’organisme, sont renouvelés pendant toute la vie, ce qui ralentit leur vieillissement. Certains peuvent, en outre, être réparés en cas de lésion. Ces phénomènes de régénération ont été bien étudiés et compris dans certains épithéliums fréquemment exposés à diverses agressions des milieux extérieur ou intérieur, en particulier au niveau de la peau et de la muqueuse intestinale. Des cellules souches y produisent des transient amplifying cells, équivalant aux progéniteurs du système hématopoïétique. Le suivi des divisions cellulaires par la bromodéoxyuridine a permis de cerner l’évolution de ces populations in vivo. Récemment, des expériences de transplantation entre souris marquées par l’expression d’une protéine fluorescente ont permis de montrer, rétrospectivement, la présence de cellules souches cutanées multipotentes dans le bulbe pilaire [5]. En revanche, on ne connaît pas l’identité moléculaire de ces cellules souches qui permettrait de les identifier de façon prospective et de les trier comme on l’a fait avec les cellules sanguines. La situation est la même pour d’autres cellules souches dont on reconnaît indirectement l’existence et qui auraient aussi un intérêt thérapeutique considérable telles que celles du foie, du pancréas endocrine ou de l’épithélium respiratoire. La rareté de ces cellules souches, la lenteur de leur cycle d’activité et les performances limitées des tests expérimentaux disponibles rendent leur identification particulièrement difficile. On a, en revanche, identifié chez l’homme une population candidate de cellules souches neurales en utilisant une approche, fondée sur le tri par cytométrie en flux, très similaire à celle utilisée dans le cas des cellules souches hématopoïétiques [6].
ples observations ont suggéré, depuis quelques années, que de nombreux tissus peuvent afficher, dans les conditions appropriées, des capacités de régénération dépassant largement leurs limites anatomiques. La moelle osseuse peut contribuer à la régénération du muscle strié [7] et, inversement, des cellules musculaires injectées chez la souris irradiée y restaurent l’hématopoïèse [8], propriété partagée par les cellules souches neurales [9] qui peuvent même, après injection dans un blastocyste, contribuer au développement de la plupart des tissus [10]. Si l’utilisation dans certaines de ces expériences de populations cellulaires hétérogènes rendait leur interprétation discutable, la démonstration que des cellules souches hématopoïétiques hautement purifiées, et en très faible nombre, peuvent participer à la régénération hépatique dans un modèle de souris tyrosinémiques [11] a renforcé l’hypothèse selon laquelle des progéniteurs engagés dans un lignage donné pouvaient encore manifester une grande souplesse de développement. De telles observations n’ont cependant été possibles que dans des conditions expérimentales extrêmes : souris transgéniques souffrant de pathologies graves, receveurs irradiés ou injection de cellules souches adultes dans le blastocyste. A contrario, d’élégantes expériences de parabiose chez la souris adulte ont montré que, dans les conditions normales, les cellules souches hématopoïétiques ne participent qu’à l’hématopoïèse. En 2002 ont également été réfutées plusieurs conclusions antérieures qui plaidaient en faveur d’une « plasticité » des cellules adultes. Ainsi, le potentiel hématogène du muscle strié est-il la conséquence de la présence dans ce tissu d’une population de cellules souches hématopoïétiques [12], et les cellules souches neurales ne présentent-elles, dans l’immense majorité des cas, aucun pouvoir hématogène [13] ? Comment expliquer les résultats troublants qui ont suscité un tel enthousiasme en faveur de la « transdifférenciation ». Au-delà d’artefacts expérimentaux assez triviaux, des altérations épigénétiques survenant dans des cellules souches cultivées ont été évoquées [13]. Surtout, on suspecte maintenant que des phénomènes de fusion cellulaire peuvent être responsables d’une partie au moins de ces observations. En culture, la fusion spontanée de cellules adultes différenciées et de cellules souches embryonnaires mène au développement d’hybrides conservant les propriétés des deux partenaires, et en particulier le caractère multipotent des cellules ES [14,15]. Cette observation a été récemment étendue in vivo : des cellules souches hématopoïétiques injectées à des souris tyrosinémiques FAH–/– y fusionnent fréquemment avec des hépatocytes, donnant l’illusion d’une « transdifférenciation » (M. Grompe, communication personnelle et Nature, sous presse).
3. Des filiations inattendues entre tissus distincts de l’organisme : existe-t-il une « plasticité » cellulaire significative chez l’adulte ?
4. Des cellules souches embryonnaires persistent-elles après la naissance ?
Alors que le dogme voulait que chaque organe héberge les cellules souches spécialisées qui lui sont propres, de multi-
Les cellules souches embryonnaires, couramment dénommées cellules ES [16], ont été largement étudiées chez l’ani-
2. Des cellules souches dans tous les tissus
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mal et plus récemment chez l’homme. Présentes dans la masse interne du blastocyste, ces cellules sont capables de produire en culture, dans des conditions contrôlées, toutes sortes de tissus qui peuvent être ensuite transplantés chez l’animal pour y traiter différents traumatismes et maladies dans lesquels la régénération d’un tissu lésé, ou déficient dans le cas d’une maladie génétique, est nécessaire. En 1997, la production aux États-Unis des premières cellules ES humaines [17] a fait entrevoir la perspective de traitements inédits, à l’aide de telles cellules, d’un très grand nombre de maladies, dont de nombreuses actuellement incurables. Il est encore trop tôt pour qu’une telle hypothèse ait pu être vérifiée chez l’homme ; en revanche, les études les plus récentes menées chez l’animal vivant confirment le potentiel de régénération de ces cellules, y compris au sein d’organes aussi complexes et difficilement accessibles que le système nerveux central. Il a, par ailleurs, été récemment suggéré que des cellules souches multipotentes, très semblables à des cellules embryonnaires ES, persistent dans les tissus de l’adulte. Des résultats expérimentaux convaincants ont effectivement montré chez l’animal et chez l’homme l’existence, dans une culture de moelle osseuse, de muscle ou de cerveau, de cellules capables de régénérer la plupart des tissus [18,19]. Ces cellules peuvent être maintenues en culture pendant au moins un an sans montrer de vieillissement significatif, tel que l’on peut en juger par la longueur constante de leurs télomères, mais en conservant intact leur potentiel de différenciation. Une autre équipe a, de façon indépendante, récemment identifié une population apparemment similaire dans le muscle strié chez la souris. Ces cellules, également sélectionnées par culture in vitro, présentent un vaste potentiel au-delà de la seule myogenèse. Fait remarquable, ces cellules peuvent, après différenciation en cellules hématopoïétiques, se redifférencier en cellules musculaires, affichant donc une « mémoire » pour ce lignage (J. Huard, communication personnelle et Nature Cell Biology, sous presse). En aval de telles cellules multipotentes est maintenant bien documentée l’existence, dans la moelle osseuse adulte, de cellules souches dites « mésenchymateuses » capables de donner naissance à une descendance diverse de cellules osseuses, cartilagineuses, vasculaires et musculaires [20]. Là encore, cependant, ces cellules n’ont été identifiées que rétrospectivement et l’on ne connaît, à l’état natif, ni leur phénotype ni leur distribution anatomique. 5. Conclusion S’il demeure indiscutable que les thérapies cellulaires, notamment via les cellules souches, joueront un rôle essentiel dans la médecine de demain, personne aujourd’hui ne saurait prédire quelle sera la source de ces cellules régénératrices. Trois grandes catégories de cellules souches sont aujourd’hui offertes à l’expérimentateur, qui est bien loin d’avoir fini d’en évaluer les avantages et les inconvénients respectifs.
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Les cellules souches spécifiques de tissus peuvent apparaître comme les cellules thérapeutiques idéales ; cependant, très peu ont encore été identifiées. En outre, leur quantité limitée dans les tissus peut représenter un obstacle majeur à leur utilisation thérapeutique, jusqu’à ce que l’on ait identifié les facteurs permettant de stimuler leur prolifération et leur maturation. La seconde catégorie est celle des cellules ES, que l’on établit de façon permanente à partir d’un pré-embryon et qui tirent de cette origine toute la richesse de leur potentiel. Si l’artifice du clonage thérapeutique effraie, pour des raisons qui n’appartiennent généralement pas au domaine de la science, on oublie trop souvent qu’il ne serait pas forcément nécessaire d’y recourir, pour tirer parti de l’extraordinaire potentiel des cellules ES, si l’on avait accès aux innombrables embryons humains surnuméraires congelés, issus de fécondations in vitro mais ne faisant plus l’objet d’un projet parental. On pourrait alors envisager la constitution de véritables banques de cellules ES humaines. Néanmoins, de très nombreux problèmes restent à élucider avant d’envisager l’utilisation thérapeutique de cellules ES, dont la technologie est nettement moins bien maîtrisée chez l’homme qu’elle ne l’est chez la souris. En particulier, les cellules ES, au moins en l’absence de pré-différenciation en culture, demeurent tumorigènes in vivo. Enfin, il est possible que des cellules souches de type embryonnaire, multipotentes, qui auraient échappé à toute différenciation au cours de l’ontogenèse, persistent dans les tissus de l’adulte. De telles cellules, si elles existent dans la moelle osseuse, seraient d’un accès relativement aisé chez un patient et permettraient peut-être d’y restaurer tout tissu lésé ou déficient. Ces résultats, même s’ils ont suscité beaucoup d’enthousiasme, apparaissent néanmoins particulièrement difficiles à reproduire : ils demandent donc à être confirmés, validés et précisés. L’existence même à l’état natif dans les tissus de ces cellules, qui n’ont jusqu’à présent été détectées qu’après plusieurs semaines de culture, reste à démontrer. Bien que leur filiation avec les MAPC (multipotent adult progenitor cells) n’ait pas été encore clairement établie, on a des données plus solides sur les cellules souches mésenchymateuses de la moelle qui font déjà l’objet d’essais thérapeutiques chez l’homme. La persistance de cellules multipotentes dans les tissus adultes peut donc expliquer certains des résultats très inattendus qui avaient suscité, il y a peu, un tel engouement pour une prétendue « plasticité » de cellules de l’organisme différencié. Si certaines de ces conclusions sont à l’heure actuelle très critiquées, voire réfutées, on ne peut pourtant exclure que des capacités de « transdifférenciation » persistent chez l’adulte. Celles-ci existent pendant l’ontogenèse ; nous avons ainsi montré que les cellules souches hématopoïétiques émergent dans l’embryon humain à partir de cellules endothéliales vasculaires [21] ; cependant, nos résultats préliminaires suggèrent aussi la persistance de cellules vasculaires hématogènes dans la moelle osseuse adulte (Souyri M., et al., résultats non publiés). On peut donc émettre comme hypothèse que le
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potentiel multiple présent chez l’adulte est, au moins en partie, contenu dans un compartiment cellulaire appartenant déjà à un lignage donné. On peut bien sûr émettre comme ultime réserve que ces différenciations observées dans des systèmes expérimentaux complexes et souvent extrêmes ne représentent que des artifices, que l’on force des cellules dans des voies de développement qu’elles n’auraient peut-être jamais suivies naturellement. Il sera effectivement difficile, même si on parvient à clairement identifier des potentiels souches étendus chez l’adulte, de déterminer de façon rigoureuse le rôle qu’ils jouent normalement dans l’homéostasie ; cela ne compromet néanmoins en rien leur possible intérêt thérapeutique qui demeure fascinant.
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Références
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B. Péault Rangos Research Institute, Children’s Hospital, Pittsburgh, Pennsylvanie, États-Unis Adresse e-mail : [email protected] (B. Péault). Reçu le 6 juin 2003 ; accepté le 27 juin 2003
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Cellules souches : une vaste descendance... de théories Current advances in stem cell biology Mots clés : Cellules souches hématopoïétiques ; Cellules souches embryonnaires ; Fusion cellulaire ; Différenciation Keywords: Hematopoietic stem cells; Embryonic stem cells; Cell fusion; Differenciation
On ne peut aujourd’hui qu’être frappé par l’ampleur des progrès qui ont jalonné, depuis seulement quelques années, la recherche sur les cellules souches, allant parfois jusqu’à bouleverser des dogmes que l’on aurait cru, il y a seulement dix ans, inébranlables. Après la découverte de cellules souches dans la plupart, voire dans tous les tissus (ce qui constituait une révélation), une suspicion est venue s’ajouter récemment : certaines d’entre elles demeureraient douées d’un potentiel quasi universel, représentant une sorte de reliquat de l’embryon disséminé au sein des tissus de l’adulte. Outre leur intérêt pour notre compréhension de la biologie du développement, ces observations et les recherches qui en découlent ouvrent des perspectives insoupçonnées sur la médecine régénératrice de demain. La notion de cellule souche, née au XIXe siècle, est longtemps restée confinée à la biologie du développement. L’observation de tissus activement et constamment renouvelés chez l’adulte, comme l’épithélium intestinal et surtout le sang, a néanmoins révélé que des cellules souches persistent et fonctionnent bien après que le développement embryonnaire ait été achevé. Dans le cas de l’hématopoïèse, la disponibilité dès le début des années 1960 de tests sensibles et quantitatifs, in vivo et en culture, a permis d’envisager la caractérisation des progéniteurs des cellules du sang. Les travaux qui se sont succédé dans ce sens pendant près de deux décennies ont abouti, chez la souris puis chez l’homme, à l’identification puis à la caractérisation de rares cellules marquées par l’expression de combinaisons d’antigènes de surface et présentant les caractéristiques fonctionnelles attendues de cellules souches hématopoïétiques. On a aussi réalisé que la plupart des tissus de l’organisme, voire tous, sont renouvelés régulièrement, sinon rapidement, et peuvent être réparés en cas de lésion. Alors que se poursuivait la recherche de différents types de cellules souches spécifiques de tissus, des observations suggérant que des filiations inattendues peuvent exister entre des tissus distincts ne partageant aucune origine embryonnaire ont été rapportées à partir de © 2004 Elsevier SAS. Tous droits réservés. doi:10.1016/j.patbio.2003.06.007
1998, et ceci même chez l’adulte. A alors été ravivée la notion de « plasticité » des cellules qui, bien que déjà engagées dans un lignage donné, demeureraient capables de se « transdifférencier » vers une autre voie. Cependant, au même moment était également évoqué le fait que des cellules souches multipotentes, très semblables à des cellules souches embryonnaires, persistent dans les tissus de l’adulte. On peut penser qu’à l’avenir une gamme étendue de cellules thérapeutiques pouvant être utilisées pour régénérer des organes lésés ou déficients pourrait être disponible. À cette liste s’ajoutent les cellules souches embryonnaires, ou cellules ES, dont des lignées humaines existent maintenant et dont la multipotence permet d’envisager des utilisations diverses et particulièrement attrayantes en médecine régénératrice. On est cependant bien loin d’avoir clairement établi le potentiel réel de ces différentes générations de cellules souches, et discerné les éventuelles complications pouvant être liées à leur utilisation. Bien plus, la notion de plasticité des cellules des tissus adultes, sans doute trop hâtivement acceptée, est maintenant remise en question. Une certaine confusion règne donc à l’heure actuelle dans ce domaine dont nous essayons ici de rendre compte.
1. Le modèle : la cellule souche hématopoïétique Les cellules souches du sang demeurent, et de loin, les mieux caractérisées. Il y a plus d’un siècle que leur existence a été évoquée chez l’embryon et depuis 40 ans leur présence a été montrée expérimentalement dans les tissus hématogènes. À la fin des années 1980, une population homogène de cellules souches hématopoïétiques a été identifiée et purifiée chez la souris. Ces cellules sont, même en faible nombre, radioprotectrices et redonnent naissance à un système hémato-lymphoïde complet chez l’animal irradié [1]. Peu après, par une approche expérimentale similaire, une population candidate de cellules souches hématopoïétiques hu-
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maines a été identifiée [2], puis transplantée chez des patients souffrant de cancer du sein métastatique ou de lymphome [3]. Au-delà de leur identification par leur phénotype, les cellules souches hématopoïétiques ont été encore fractionnées en fonction de leur activité de prolifération, reflétée par exemple par leur affinité pour un colorant supravital comme la rhodamine 123, les cellules souches les plus primitives étant essentiellement au repos mitotique. On est ainsi parvenu à sélectionner une fraction infime des cellules nucléées de la moelle osseuse (environ 1/10 000 chez la souris) capables de repeupler de façon permanente l’ensemble des lignées hémato-lymphoïdes [4]. La structure arborescente du système sanguin, où les cellules souches fondatrices donnent naissance à des générations de progéniteurs aux potentiels graduellement restreints [4], a fourni le modèle de régénération autour duquel s’articule généralement la recherche de cellules souches dans d’autres tissus.
La plupart, voire tous les tissus de l’organisme, sont renouvelés pendant toute la vie, ce qui ralentit leur vieillissement. Certains peuvent, en outre, être réparés en cas de lésion. Ces phénomènes de régénération ont été bien étudiés et compris dans certains épithéliums fréquemment exposés à diverses agressions des milieux extérieur ou intérieur, en particulier au niveau de la peau et de la muqueuse intestinale. Des cellules souches y produisent des transient amplifying cells, équivalant aux progéniteurs du système hématopoïétique. Le suivi des divisions cellulaires par la bromodéoxyuridine a permis de cerner l’évolution de ces populations in vivo. Récemment, des expériences de transplantation entre souris marquées par l’expression d’une protéine fluorescente ont permis de montrer, rétrospectivement, la présence de cellules souches cutanées multipotentes dans le bulbe pilaire [5]. En revanche, on ne connaît pas l’identité moléculaire de ces cellules souches qui permettrait de les identifier de façon prospective et de les trier comme on l’a fait avec les cellules sanguines. La situation est la même pour d’autres cellules souches dont on reconnaît indirectement l’existence et qui auraient aussi un intérêt thérapeutique considérable telles que celles du foie, du pancréas endocrine ou de l’épithélium respiratoire. La rareté de ces cellules souches, la lenteur de leur cycle d’activité et les performances limitées des tests expérimentaux disponibles rendent leur identification particulièrement difficile. On a, en revanche, identifié chez l’homme une population candidate de cellules souches neurales en utilisant une approche, fondée sur le tri par cytométrie en flux, très similaire à celle utilisée dans le cas des cellules souches hématopoïétiques [6].
ples observations ont suggéré, depuis quelques années, que de nombreux tissus peuvent afficher, dans les conditions appropriées, des capacités de régénération dépassant largement leurs limites anatomiques. La moelle osseuse peut contribuer à la régénération du muscle strié [7] et, inversement, des cellules musculaires injectées chez la souris irradiée y restaurent l’hématopoïèse [8], propriété partagée par les cellules souches neurales [9] qui peuvent même, après injection dans un blastocyste, contribuer au développement de la plupart des tissus [10]. Si l’utilisation dans certaines de ces expériences de populations cellulaires hétérogènes rendait leur interprétation discutable, la démonstration que des cellules souches hématopoïétiques hautement purifiées, et en très faible nombre, peuvent participer à la régénération hépatique dans un modèle de souris tyrosinémiques [11] a renforcé l’hypothèse selon laquelle des progéniteurs engagés dans un lignage donné pouvaient encore manifester une grande souplesse de développement. De telles observations n’ont cependant été possibles que dans des conditions expérimentales extrêmes : souris transgéniques souffrant de pathologies graves, receveurs irradiés ou injection de cellules souches adultes dans le blastocyste. A contrario, d’élégantes expériences de parabiose chez la souris adulte ont montré que, dans les conditions normales, les cellules souches hématopoïétiques ne participent qu’à l’hématopoïèse. En 2002 ont également été réfutées plusieurs conclusions antérieures qui plaidaient en faveur d’une « plasticité » des cellules adultes. Ainsi, le potentiel hématogène du muscle strié est-il la conséquence de la présence dans ce tissu d’une population de cellules souches hématopoïétiques [12], et les cellules souches neurales ne présentent-elles, dans l’immense majorité des cas, aucun pouvoir hématogène [13] ? Comment expliquer les résultats troublants qui ont suscité un tel enthousiasme en faveur de la « transdifférenciation ». Au-delà d’artefacts expérimentaux assez triviaux, des altérations épigénétiques survenant dans des cellules souches cultivées ont été évoquées [13]. Surtout, on suspecte maintenant que des phénomènes de fusion cellulaire peuvent être responsables d’une partie au moins de ces observations. En culture, la fusion spontanée de cellules adultes différenciées et de cellules souches embryonnaires mène au développement d’hybrides conservant les propriétés des deux partenaires, et en particulier le caractère multipotent des cellules ES [14,15]. Cette observation a été récemment étendue in vivo : des cellules souches hématopoïétiques injectées à des souris tyrosinémiques FAH–/– y fusionnent fréquemment avec des hépatocytes, donnant l’illusion d’une « transdifférenciation » (M. Grompe, communication personnelle et Nature, sous presse).
3. Des filiations inattendues entre tissus distincts de l’organisme : existe-t-il une « plasticité » cellulaire significative chez l’adulte ?
4. Des cellules souches embryonnaires persistent-elles après la naissance ?
Alors que le dogme voulait que chaque organe héberge les cellules souches spécialisées qui lui sont propres, de multi-
Les cellules souches embryonnaires, couramment dénommées cellules ES [16], ont été largement étudiées chez l’ani-
2. Des cellules souches dans tous les tissus
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mal et plus récemment chez l’homme. Présentes dans la masse interne du blastocyste, ces cellules sont capables de produire en culture, dans des conditions contrôlées, toutes sortes de tissus qui peuvent être ensuite transplantés chez l’animal pour y traiter différents traumatismes et maladies dans lesquels la régénération d’un tissu lésé, ou déficient dans le cas d’une maladie génétique, est nécessaire. En 1997, la production aux États-Unis des premières cellules ES humaines [17] a fait entrevoir la perspective de traitements inédits, à l’aide de telles cellules, d’un très grand nombre de maladies, dont de nombreuses actuellement incurables. Il est encore trop tôt pour qu’une telle hypothèse ait pu être vérifiée chez l’homme ; en revanche, les études les plus récentes menées chez l’animal vivant confirment le potentiel de régénération de ces cellules, y compris au sein d’organes aussi complexes et difficilement accessibles que le système nerveux central. Il a, par ailleurs, été récemment suggéré que des cellules souches multipotentes, très semblables à des cellules embryonnaires ES, persistent dans les tissus de l’adulte. Des résultats expérimentaux convaincants ont effectivement montré chez l’animal et chez l’homme l’existence, dans une culture de moelle osseuse, de muscle ou de cerveau, de cellules capables de régénérer la plupart des tissus [18,19]. Ces cellules peuvent être maintenues en culture pendant au moins un an sans montrer de vieillissement significatif, tel que l’on peut en juger par la longueur constante de leurs télomères, mais en conservant intact leur potentiel de différenciation. Une autre équipe a, de façon indépendante, récemment identifié une population apparemment similaire dans le muscle strié chez la souris. Ces cellules, également sélectionnées par culture in vitro, présentent un vaste potentiel au-delà de la seule myogenèse. Fait remarquable, ces cellules peuvent, après différenciation en cellules hématopoïétiques, se redifférencier en cellules musculaires, affichant donc une « mémoire » pour ce lignage (J. Huard, communication personnelle et Nature Cell Biology, sous presse). En aval de telles cellules multipotentes est maintenant bien documentée l’existence, dans la moelle osseuse adulte, de cellules souches dites « mésenchymateuses » capables de donner naissance à une descendance diverse de cellules osseuses, cartilagineuses, vasculaires et musculaires [20]. Là encore, cependant, ces cellules n’ont été identifiées que rétrospectivement et l’on ne connaît, à l’état natif, ni leur phénotype ni leur distribution anatomique. 5. Conclusion S’il demeure indiscutable que les thérapies cellulaires, notamment via les cellules souches, joueront un rôle essentiel dans la médecine de demain, personne aujourd’hui ne saurait prédire quelle sera la source de ces cellules régénératrices. Trois grandes catégories de cellules souches sont aujourd’hui offertes à l’expérimentateur, qui est bien loin d’avoir fini d’en évaluer les avantages et les inconvénients respectifs.
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Les cellules souches spécifiques de tissus peuvent apparaître comme les cellules thérapeutiques idéales ; cependant, très peu ont encore été identifiées. En outre, leur quantité limitée dans les tissus peut représenter un obstacle majeur à leur utilisation thérapeutique, jusqu’à ce que l’on ait identifié les facteurs permettant de stimuler leur prolifération et leur maturation. La seconde catégorie est celle des cellules ES, que l’on établit de façon permanente à partir d’un pré-embryon et qui tirent de cette origine toute la richesse de leur potentiel. Si l’artifice du clonage thérapeutique effraie, pour des raisons qui n’appartiennent généralement pas au domaine de la science, on oublie trop souvent qu’il ne serait pas forcément nécessaire d’y recourir, pour tirer parti de l’extraordinaire potentiel des cellules ES, si l’on avait accès aux innombrables embryons humains surnuméraires congelés, issus de fécondations in vitro mais ne faisant plus l’objet d’un projet parental. On pourrait alors envisager la constitution de véritables banques de cellules ES humaines. Néanmoins, de très nombreux problèmes restent à élucider avant d’envisager l’utilisation thérapeutique de cellules ES, dont la technologie est nettement moins bien maîtrisée chez l’homme qu’elle ne l’est chez la souris. En particulier, les cellules ES, au moins en l’absence de pré-différenciation en culture, demeurent tumorigènes in vivo. Enfin, il est possible que des cellules souches de type embryonnaire, multipotentes, qui auraient échappé à toute différenciation au cours de l’ontogenèse, persistent dans les tissus de l’adulte. De telles cellules, si elles existent dans la moelle osseuse, seraient d’un accès relativement aisé chez un patient et permettraient peut-être d’y restaurer tout tissu lésé ou déficient. Ces résultats, même s’ils ont suscité beaucoup d’enthousiasme, apparaissent néanmoins particulièrement difficiles à reproduire : ils demandent donc à être confirmés, validés et précisés. L’existence même à l’état natif dans les tissus de ces cellules, qui n’ont jusqu’à présent été détectées qu’après plusieurs semaines de culture, reste à démontrer. Bien que leur filiation avec les MAPC (multipotent adult progenitor cells) n’ait pas été encore clairement établie, on a des données plus solides sur les cellules souches mésenchymateuses de la moelle qui font déjà l’objet d’essais thérapeutiques chez l’homme. La persistance de cellules multipotentes dans les tissus adultes peut donc expliquer certains des résultats très inattendus qui avaient suscité, il y a peu, un tel engouement pour une prétendue « plasticité » de cellules de l’organisme différencié. Si certaines de ces conclusions sont à l’heure actuelle très critiquées, voire réfutées, on ne peut pourtant exclure que des capacités de « transdifférenciation » persistent chez l’adulte. Celles-ci existent pendant l’ontogenèse ; nous avons ainsi montré que les cellules souches hématopoïétiques émergent dans l’embryon humain à partir de cellules endothéliales vasculaires [21] ; cependant, nos résultats préliminaires suggèrent aussi la persistance de cellules vasculaires hématogènes dans la moelle osseuse adulte (Souyri M., et al., résultats non publiés). On peut donc émettre comme hypothèse que le
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potentiel multiple présent chez l’adulte est, au moins en partie, contenu dans un compartiment cellulaire appartenant déjà à un lignage donné. On peut bien sûr émettre comme ultime réserve que ces différenciations observées dans des systèmes expérimentaux complexes et souvent extrêmes ne représentent que des artifices, que l’on force des cellules dans des voies de développement qu’elles n’auraient peut-être jamais suivies naturellement. Il sera effectivement difficile, même si on parvient à clairement identifier des potentiels souches étendus chez l’adulte, de déterminer de façon rigoureuse le rôle qu’ils jouent normalement dans l’homéostasie ; cela ne compromet néanmoins en rien leur possible intérêt thérapeutique qui demeure fascinant.
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B. Péault Rangos Research Institute, Children’s Hospital, Pittsburgh, Pennsylvanie, États-Unis Adresse e-mail : [email protected] (B. Péault). Reçu le 6 juin 2003 ; accepté le 27 juin 2003