Introduction
L'étude des cellules embryonnaires représente un domaine crucial de la recherche biomédicale, ouvrant des perspectives inédites en matière de compréhension du développement, de thérapie génique et de médecine régénérative. Cet article vise à explorer les avancées significatives dans ce domaine, en mettant en lumière les techniques d'imagerie innovantes et les approches thérapeutiques prometteuses.
Imagerie Avancée des Cellules Embryonnaires
Microscopie Multi-Photonique Couleur par Mélange d'Ondes
Emmanuel Beaurepaire, physicien formé à l’INPG et à l’ESPCI, a contribué de manière significative à l'imagerie des tissus biologiques. En 2001, il a rejoint le LOB (laboratoire d’optique et biosciences) à l’École polytechnique pour développer de nouvelles techniques d’imagerie des tissus biologiques. Son équipe a notamment introduit une nouvelle technique pour étudier le développement cérébral, publiée en 2019 dans la revue Nature Communications.
Beaurepaire et Jean Livet ont mis en œuvre une technologie de marquage colorée, l’approche Brainbow, qui consiste à marquer individuellement des cellules neuronales avec des combinaisons de protéines fluorescentes de différentes couleurs. Cette approche, initialement développée par J. Livet dans l’équipe de Jeff W. Lichtman à Harvard, utilise 3 ou 4 protéines primaires, dont la combinaison permet d’obtenir environ 200 teintes différentes pour marquer les cellules. Ce marquage permet de mieux visualiser l’anatomie du réseau neuronal en contrastant les neurones individuels et de voir ainsi, par exemple, comment l’agencement des neurones entre eux peut être relié à telle ou telle fonctionnalité du cerveau.
La nouveauté de leur travail a été de mettre en place une méthode d’imagerie permettant de visualiser ces cellules marquées en 3D dans le tissu cérébral, avec une résolution permettant de distinguer leurs prolongements tels qu’axones et dendrites. Pour cela, ils ont utilisé une technologie inventée au LOB, la microscopie multi-photonique couleur par mélange d’ondes, en l’occurrence des faisceaux lasers femtoseconde, ainsi qu’un système automatisé d’enregistrement de grands volumes. Cet instrument a été développé dans le cadre du projet Equipex (équipement d’excellence) Morphoscope financé par le programme des Investissements d’avenir. Cette technique permet d’imager un volume allant de plusieurs millimètres cubes à un cerveau de souris entier, avec une résolution de l’ordre du micron cube, conduisant à produire des volumes très importants de données d’imagerie.
Applications de l'Imagerie Avancée
Cette technique va apporter beaucoup à l’étude du développement du cerveau, avec de nouvelles descriptions de la façon dont les cellules souches neurales construisent les différentes régions du cerveau. Par exemple, ils ont déjà obtenu une description nouvelle de la mise en place chez l’embryon de souris du réseau des astrocytes, ces cellules supports des neurones. Leur approche permet également d’étudier la connectivité à grande distance des cellules entre elles. Elle intéresse d’ores et déjà d’autres équipes de neurosciences françaises et américaines.
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Thérapie Génique des Cellules Sanguines
Déficits Immunitaires Combinés Sévères (DICS)
Les déficits immunitaires combinés sévères (DICS ou SCID en anglais) représentent un ensemble de maladies rares, touchant environ 1 cas pour 75 000 naissances. Les enfants atteints développent des pathologies infectieuses extrêmement sévères. Aujourd'hui on a identifié 9 formes de DICS par des travaux de recherche en immunologie génétique. Parmi toutes ces formes, la moins rare puisqu'elle représente la moitié des cas est le DICS lié à l'X. Lié à l'X, signifie que le gène est situé sur le chromosome X, les mères sont conductrices et seuls les garçons sont touchés. Le DICS lié à l'X se définit par l'absence de lymphocytes T et de lymphocytes natural killer (NK).
Approche de Thérapie Génique
L'étude de la fonction de la protéine gamma c a révélé que cette maladie était un modèle privilégié pour la thérapie génique, peut-être le meilleur modèle que l'on puisse imaginer. La thérapie génique des cellules sanguines est attractive parce que l'accès à la moelle osseuse, l'usine productrice des cellules sanguines, est aisé. La moelle osseuse contient des cellules souches capables de donner naissance à toutes les lignées sanguines et dotées de la capacité d'auto-renouvellement. Cela signifie, en théorie, que si l'on est capable de transférer le gène dans les cellules souches hématopoïétiques, l'effet, si le gène est répliqué lors de la division des cellules, durera toute la vie.
Pour obtenir l'insertion du transgène, il faut utiliser un système de vecteur, pour que le gène pénètre dans la cellule. Puis, le gène s'intègre dans un chromosome et peut être répliqué à chaque cycle cellulaire. Aujourd'hui, le seul système efficace, et qui soit utilisable en clinique, consiste à utiliser des rétrovirus modifiés à partir de virus qui provoquent des leucémies chez la souris. Le problème est que cet effet n'est observé que dans les cellules en division. Or les cellules souches hématopoïétiques, à un moment donné, sont, pour 99,9 % d'entre elles, au repos. C'est là qu'intervient la notion de DICS qui est une situation privilégiée pour laquelle l'obstacle que je viens de mentionner joue moins, ou peut-être pas du tout.
La fonction de la protéine gamma c, lorsqu'elle est exprimée à la surface, est d'induire, après liaison du ligand (une cytokine), des signaux de survie des cellules et de prolifération. Dans un contexte où l'on a un système de transfert de gène peu efficace, les cellules qui expriment gamma c disposent d'un avantage de prolifération sur les cellules non corrigées. Les précurseurs de lymphocytes T se divisent énormément, et une fois ces lymphocytes T développés, ils ont une très longue durée de vie. C'est la compréhension de ces trois raisons (fonction de la protéine gamma c, capacité proliférative des précurseurs, longue durée de vie des cellules) qui constitue le facteur clé.
Thérapie Génique Naturelle : Un Modèle Révélateur
Chez un patient atteint de DICS lié à l'X, il a été observé que malgré le fait qu'il ait hérité de sa mère une mutation délétère du gène empêchant la protéine gamma c de s'exprimer, il avait fabriqué des lymphocytes T. On a pu démontrer que les lymphocytes T de cet enfant ne portaient pas la mutation, parce qu'un événement extrêmement rare, une mutation spontanée, avait corrigé l'anomalie. Ce qui s'est passé chez cet enfant, c'est une forme de thérapie génique naturelle, partielle (insuffisante pour guérir la maladie de l'enfant), dont l'effet fut stable pendant cinq ans. Ainsi, la thérapie génique naturelle d'une seule cellule a permis de corriger partiellement la maladie de cet enfant. C'était une démonstration claire de l'hypothèse formulée au préalable.
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Vecteurs Lentiviraux : Une Voie Prometteuse
Une solution possible, ce sont les fameux vecteurs HIV ou d'une manière générale les lentivirus. C'est une autre catégorie de rétrovirus dont une propriété est très intéressante : leur copie en ADN, le " provirus ", une fois fabriqué dans la cellule, peut traverser la membrane nucléaire. Récemment, un chercheur de l'Institut Pasteur a montré qu'une séquence très particulière de ce virus était impliquée dans ce transfert. Cela marche au laboratoire ainsi que lors de greffes de cellules souches hématopoïétiques humaines in vivo sur des souris immunodéficientes.
Cependant, en utilisant des vecteurs lentiviraux, on évoque des risques possibles plus importants qu'avec d'autres types de vecteurs, par recombinaison et génération de nouveaux virus qui s'avéreraient dangereux. Avant toute application clinique, il faut démontrer dans un modèle animal proche de l'homme (les primates) que ces vecteurs sont à la fois sûrs et efficaces.
Alternatives et Recherches Fondamentales
Il y a d'autres approches possibles : utiliser des enveloppes virales pour lesquelles les cellules souches ont beaucoup plus de récepteurs afin d'augmenter le taux d'infection des cellules souches. Une autre façon d'avancer pourrait venir des recherches fondamentales sur la connaissance des cellules souches. Si demain (ce n'est qu'une hypothèse), on était capable d'induire au laboratoire la prolifération des cellules souches, sans qu'elles perdent leur capacité de différenciation multipotente et d'autorenouvellement, ce serait la façon la plus élégante de vaincre le problème.
Cellules Souches Hématopoïétiques Embryonnaires : Une Cible Potentielle
Sans remonter jusqu'à l'embryon, les cellules souches de sang du cordon ont des capacités de prolifération supérieures. En théorie, on pourrait utiliser les cellules embryonnaires pour le transfert de gène, mais leur utilisation thérapeutique ne pourrait se pratiquer que sous forme de greffes à d'autres individus.
Comparaison avec la Greffe de Moelle Osseuse
Le traitement classique de ces maladies que l'on appelle les DICS, depuis trente ans, consiste en la greffe de moelle osseuse. Le principe est simple : apporter au malade des cellules hématopoïétiques génétiquement normales susceptibles de donner naissance à des lymphocytes T. Dans cette situation de compatibilité HLA, la greffe de moelle est efficace, il n'y a pas besoin de penser à une thérapie génique. Les résultats sont excellents. Néanmoins, considérant la taille moyenne des fratries, en tout cas dans les pays occidentaux, la probabilité pour un enfant malade d'avoir un frère ou une sœur sains et HLA identiques est faible. Pour les autres, depuis presque vingt ans, on a recours à un autre type de greffe. On utilise des donneurs qui ne sont pas HLA identiques. Soit des donneurs compatibles non apparentés issus de la population générale, soit des parents qui sont partiellement compatibles. Aujourd'hui, dans les meilleures conditions, il y a environ 7 chances sur 10 qu'un enfant qui a ce type de maladie survive. Cela veut dire que 3 sur 10 décèdent de complications de la greffe ou de problèmes infectieux. De plus, certains patients, au cours du temps, voient leur fonction des lymphocytes T décliner. Cela justifie les efforts pour faire mieux si l'on peut, par la thérapie génique.
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Essais Cliniques et Perspectives d'Avenir
L'essai clinique entrepris a débuté il y a un peu plus de deux ans, en 1999. Quatre enfants ont bénéficié de ce traitement. Ces enfants ont un système immunitaire qui est fonctionnel, ce qui veut dire qu'ils n'ont pas besoin de traitement. Ils peuvent vivre normalement avec leurs parents, ils s'infectent comme des nourrissons du même âge, mais sans problèmes particuliers. Aucune précaution particulière n'est prise dans leur vie quotidienne. Simplement, ils sont surveillés régulièrement, tous les six mois maintenant.
Les défis à relever incluent la perte d'expression, la transcription cessant par méthylation du transgène, et la disparition des précurseurs corrigés.
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