Introduction
Nos connaissances sur les cellules souches ont connu une expansion considérable ces dernières années, révélant des perspectives parfois inattendues. Longtemps considérées comme les garantes du renouvellement tissulaire dans des organes comme la moelle osseuse, l'intestin ou la peau, leur présence et leur rôle potentiel dans des organes tels que le cœur, le rein, le cerveau et le muscle ont créé la surprise. Cet article explore l'évolution de notre compréhension des cellules souches, en mettant l'accent sur les découvertes récentes et les défis persistants dans leur application thérapeutique.
L'Explosion Médiatique et les Premières Observations
Entre 1999 et 2000, des publications ont suscité un grand intérêt en biologie cellulaire. Ces données expérimentales reposaient sur un protocole simple de transplantation médullaire syngénique chez la souris irradiée. L'analyse des tissus du receveur, réalisée quelques semaines plus tard par des techniques histologiques, visait à identifier les cellules provenant du donneur. L'origine des cellules était déterminée par la présence du chromosome Y (en cas de transplantation de cellules mâles à un receveur femelle) ou par l'expression d'une protéine-étiquette (βGal ou GFP) dans les cellules du donneur.
La découverte de cellules provenant de la moelle osseuse greffée dans divers tissus du receveur a engendré une importante couverture médiatique. Malgré les réserves de certains, l'idée que des cellules isolées de la moelle osseuse, voire des cellules souches hématopoïétiques (CSH), puissent se différencier en hépatocytes ou en neurones a été largement diffusée. Or, hépatocytes, neurones et CSH dérivent de feuillets embryonnaires différents, ce qui remettait en question le dogme selon lequel des cellules dérivées d'un feuillet embryonnaire ne pouvaient pas adopter le destin de cellules dérivées d'un autre feuillet à l'âge adulte.
Dans cette atmosphère d'enthousiasme, d'autres études ont suggéré que des cellules isolées du muscle, de la peau ou même du cerveau pouvaient exprimer un potentiel hématopoïétique ou neural. De plus, une équipe américaine a identifié dans la moelle osseuse, ainsi que dans d'autres tissus, une population de cellules souches très indifférenciées, capables de proliférer sans sénescence et dotées d'un potentiel "multi-tissulaire" comparable à celui des cellules souches embryonnaires.
Ces résultats simultanés ont conduit à une révision des concepts établis et à de grands espoirs thérapeutiques. La possibilité de réparer les tissus dans des maladies dégénératives auparavant incurables ou pour lesquelles seule une transplantation d'organe était envisageable semblait à portée de main.
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Clarification et Révolution Conceptuelle Avortée
Cinq ans plus tard, la situation s'est considérablement clarifiée, et la révolution conceptuelle ne s'est finalement pas confirmée. De nombreuses observations initiales étaient correctes, mais leur interprétation était erronée, et certaines étaient même artificielles. Outre la pression médiatique, l'absence de prise en compte de "réalités biologiques" a également contribué à la confusion.
Deux points méritent d'être soulignés :
- L'hétérogénéité tissulaire : Plusieurs populations cellulaires coexistent dans un tissu, avec des phénotypes et des origines diverses, y compris des cellules circulantes. Il est difficile d'éliminer complètement le compartiment vasculaire irriguant un tissu, sauf en travaillant à l'échelon clonal.
- L'insuffisance des critères phénotypiques : L'utilisation de techniques immunohistochimiques pour caractériser une cellule et en déduire son potentiel est limitée. La répétition des expériences avec des techniques génétiques indiscutables (système cre-lox) a infirmé les conclusions initiales attribuant aux CSH un potentiel (hépatocytaire, neural) qu'elles n'ont pas, confirmé la fréquence des artefacts (superposition cellulaire, anticorps non spécifiques) et identifié le mécanisme de fusion cellulaire.
L'expression de marqueurs phénotypiques ne suffit pas à elle seule à prouver l'existence du potentiel biologique correspondant et ne doit pas remplacer l'analyse de la fonction cellulaire in vivo, aussi difficile soit-elle.
Redéfinition Fonctionnelle des Cellules Souches
Malgré cette remise en question, ce bouillonnement scientifique a permis des observations importantes et a élargi notre réflexion sur le fonctionnement des cellules souches au-delà du système hématopoïétique. Il existe aujourd'hui un consensus sur le fait qu'une cellule souche ne peut être définie que fonctionnellement, par sa capacité à produire, de manière prolongée, des cellules différenciées fonctionnelles. L'auto-renouvellement et la multipotence sont généralement présents, mais l'auto-renouvellement est un concept théorique difficile à démontrer et souvent confondu avec la capacité de prolifération.
Une difficulté réside dans la question de savoir si la démonstration du potentiel de différenciation in vitro est suffisante pour identifier une cellule souche, ou s'il est nécessaire d'y associer une confirmation fonctionnelle in vivo. Il n'y a pas toujours de parallélisme entre les deux. Par exemple, les cellules souches hématopoïétiques ont un comportement similaire in vitro et in vivo, mais ce n'est pas le cas pour les cellules souches et les progéniteurs du SNC, qui prolifèrent in vitro sous forme de neurosphères sans équivalent in vivo. De même, les cellules mésenchymateuses sont bien caractérisées in vitro, mais leur statut de cellule souche est flou et leur fonction in vivo est mal connue.
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Il est également important de distinguer la multipotence "cellulaire" (production des trois types de cellules neurales : oligodendrocytes, astrocytes et neurones) de la multipotence fonctionnelle, qui assurerait la diversité des circuits neuronaux in vivo. De plus, une conclusion sur le caractère de cellule souche ne peut être tirée que si l'analyse est effectuée à l'échelon clonal sur des cellules uniques, ce qui peut être difficile à réaliser expérimentalement. En l'absence d'analyse clonale et compte tenu de l'impossibilité de purifier à homogénéité les cellules souches, il est impossible de juger du potentiel multiple ou restreint des cellules isolées sur des critères uniquement phénotypiques.
Identification et Isolement des Cellules Souches
La rareté des populations de cellules souches/progéniteurs nécessite un enrichissement préalable. Une première étape consiste à les séparer des précurseurs plus matures exprimant des marqueurs de différenciation ("lineage-negative" ou Lin-). Leur sélection "positive" est facilitée par le partage de certains antigènes de surface, même s'ils ne sont pas spécifiques des cellules souches (Sca-1, c-kit, CD133 ou CD34 chez la souris). L'expulsion du colorant vital de l'ADN Hoechst, qui définit une petite population (SP pour side population) lors de l'analyse des cellules dans deux longueurs d'onde d'émission de fluorescence, semble également caractéristique.
Cependant, dans certains organes (peau, intestin), aucun marqueur ne permet d'isoler des populations de cellules souches/progéniteurs, ou ils sont trop peu spécifiques. Dans ce cas, on tire parti de leur relative quiescence (ou du ralentissement de leur cycle cellulaire), qui se traduit par la rétention du BrdU incorporé dans l'ADN (label-retaining cells, LRC) en phase de réplication.
Évaluation du Potentiel des Cellules Souches
La question de savoir comment évaluer le potentiel des cellules souches est complexe et nécessite des modèles expérimentaux adéquats, in vitro et in vivo. L'objectif est de fournir aux cellules présumées "souches" l'environnement nécessaire à leur prolifération et à l'expression de tous les potentiels de différenciation qu'elles sont susceptibles d'exprimer. Cette exigence est rarement satisfaite in vitro, car il est difficile de recréer la complexité des interactions cellulaires et moléculaires qui prévalent in vivo. De plus, les cultures artificielles peuvent induire l'expression "aberrante" de marqueurs de différenciation sur une cellule qui n'a pas le potentiel fonctionnel correspondant.
Les modèles in vivo sont plus convaincants pour évaluer un potentiel fonctionnel, mais ils sont plus contraignants. La greffe de moelle osseuse chez la souris, voire dans un modèle chimérique homme-souris, est un outil incomparable pour les hématologistes, mais elle est unique. Les modèles permettant de tester le potentiel de réparation cardiaque, hépatique ou musculaire sont encore imparfaits. La voie d'injection (intraveineuse ou intratissulaire directe) et l'utilisation de biomatériaux comme substrats facilitant l'arrimage et la croissance des cellules peuvent également influencer la différenciation des cellules souches.
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Hétérogénéité des Progéniteurs et Hiérarchie Cellulaire
Il y a plus de vingt ans, les progéniteurs hématopoïétiques ont été classés selon une hiérarchie tenant compte de la restriction progressive de leur potentiel, depuis les cellules souches multipotentes ancestrales jusqu'aux précurseurs monopotents. Une organisation similaire semble se dessiner pour les cellules souches mésenchymateuses, sur la base de leur capacité de prolifération hétérogène.
Dans le foie, le muscle, le cœur et le pancréas, plusieurs populations de progéniteurs ont été isolées indépendamment et sont capables, à des degrés divers, de produire les cellules différenciées du tissu correspondant. Dans le cas du cœur ou du muscle, ces populations ont été purifiées sur l'expression (ou l'absence) de multiples antigènes de surface, ou encore sur la propriété d'exclusion du colorant Hoechst. Cette multiplicité a été une source de confusion et de controverses pour plusieurs raisons :
- Les différents laboratoires confrontent rarement leurs données, ce qui suggère un certain chevauchement entre les populations.
- Il est difficile de déterminer l'origine exacte des cellules (intrinsèque aux tissus ou migrant via la vascularisation à partir d'un autre organe).
- L'absence d'analyse à l'échelon unicellulaire des populations isolées et/ou de promoteurs spécifiques a pu conférer à tort un potentiel musculaire ou de cardiomyocyte à des cellules hématopoïétiques qui en sont dépourvues.
Dans le muscle, d'autres populations cellulaires de localisation interstitielle ou associée aux fibres sont également présentes. Elles ont une origine médullaire et un potentiel myogénique très restreint, ne contribuant que pour une part infime à la régénération musculaire et uniquement en réponse à des stimulus post-lésionnels. De plus, on trouve dans les préparations musculaires des cellules souches et des précurseurs hématopoïétiques (monocytes) provenant de la circulation et qu'il est difficile d'exclure lors de la purification. Une hétérogénéité similaire a été décrite dans le cœur, associant des "cardioblastes" et des cellules de potentiel plus large et de phénotype différent.
Cellules Souches et Réparation Tissulaire
Les cellules satellites constituent la principale voie de réparation musculaire. Elles prolifèrent sous forme de myoblastes mononucléés et refusionnent en fibres musculaires. Diverses populations ayant pour origine la moelle osseuse migrent via la vascularisation dans le muscle et peuvent occuper les niches le long des fibres, participant à la réparation musculaire de façon minime et uniquement si elles sont stimulées par une lésion musculaire.
Ce processus explique la correction du déficit hépatique des souris tyrosinémiques après greffe de cellules souches hématopoïétiques, et l'observation de cellules de Purkinje, de cardiomyocytes, ou encore de cellules…
Neurogenèse et Cellules Souches Rétiniennes
Ce n'est que depuis une vingtaine d'années que l'on a démontré avec certitude l'existence, chez l'Homme, de certaines zones du Système Nerveux Central (SNC) capables de renouveler en permanence leurs neurones. Ces observations ont été le point de départ de multiples travaux dont l'objectif principal était de comprendre les mécanismes de cette neurogenèse afin d'en tirer profit pour remplacer les neurones dégénérés et/ou pathologiques. Ces études ont été menées sur l'ensemble du SNC qui inclue la rétine. En effet, la rétine localisée au fond de l'œil, partage la même origine embryonnaire que le cerveau.
À l'inverse de ce que l'on a montré chez certains Vertébrés non mammaliens, la preuve d'une régénérescence continue des neurones rétiniens n'a jamais été apportée chez l'Homme. Cependant, il n'est pas rare d'observer des cellules réactives lors de pathologies neurodégénératives. Ces cellules contiennent de la Nestine, une protéine que l'on trouve généralement dans les cellules en mitose. Un certain nombre d'arguments suggèrent que ce sont les cellules gliales de Muller qui se dédifférencieraient pour former des cellules souches endogènes à l'origine de nouveaux neurones. Toutefois, aucune preuve formelle de la fonctionnalité de ces nouvelles cellules n'a pu être apportée. Il est fort probable que l'environnement adulte dans lequel se trouvent ces nouvelles cellules souches n'est pas adapté à leur croissance.
Thérapies Cellulaires et Perspectives d'Avenir
Les travaux expérimentaux visant au développement des thérapies cellulaires sont de plus en plus nombreux. En thérapie cellulaire, il est possible d'utiliser des cellules souches provenant soit d'un embryon, soit d'un organisme adulte. Chez l'Humain, les cellules souches embryonnaires sont des cellules pluripotentes prélevées chez un embryon quelques jours après la fécondation. Les cellules souches adultes proviennent de tissus capables de se renouveler comme la moelle osseuse (à l'origine des cellules sanguines), l'épiderme ou encore le tissu adipeux.
La cornée et la rétine sont des exemples de tissus où l'utilisation de cellules souches est prometteuse. Les cellules souches limbiques, situées à la périphérie de la cornée, permettent de remplacer les cellules endommagées. Dans la rétine, des essais cliniques ont été menés avec des cellules souches embryonnaires dérivées de l'épithélium pigmentaire pour traiter certaines maculopathies. De plus, il est désormais possible de fabriquer une cupule optique contenant des photorécepteurs à partir de cellules souches embryonnaires humaines.
La découverte de la reprogrammation de cellules différenciées en cellules iPS (cellules souches pluripotentes induites) a ouvert de nouvelles perspectives. Cette technique consiste à introduire certains gènes dans une cellule mature afin de réactiver les signaux d'immaturité et de prolifération caractéristiques d'une cellule pluripotente. Des expérimentations concluantes ont été menées chez des animaux, et des essais cliniques sont actuellement initiés chez l'Homme.
Stimulation Électrique et Survie Neuronale
Le SNC fonctionne avec l'électricité générée par les neurones. Dans la rétine, les photorécepteurs transforment les informations visuelles et lumineuses en messages électriques. De nombreux travaux expérimentaux démontrent que le maintien de cette activité électrique, voire sa stimulation accrue, augmente la survie des neurones. Des expérimentations ont montré que la stimulation électrique des cellules ganglionnaires de rats augmente leur survie et participe à la croissance de leurs prolongements.
Cellules Souches Cutanées et Traitements Anti-Âge
Les cellules souches cutanées sont à l'origine du renouvellement permanent de la peau, de la régénération des tissus ainsi que de leur réparation. Elles interviennent, par exemple, dans les phénomènes de cicatrisation. L'âge, les facteurs environnementaux et les stress internes affectent ces cellules et réduisent leur nombre ainsi que leur activité. Il est donc important de les protéger et de promouvoir leurs capacités de fonctionnement.
L'utilisation de cellules souches végétales permet de protéger les cellules souches cutanées. Par exemple, l'extrait de Malus Domestica (une variété de pomme suisse) est réputé pour son impressionnante capacité de conservation et permet de protéger les cellules souches de la peau. Combiné à un extrait d'Hibiscus, il permet d'agir sur l'activation cellulaire, le renouvellement cellulaire et sur la synthèse du collagène et des glycosaminoglycanes.
Des études cliniques ont montré que ce type de traitement peut améliorer la croissance des cellules souches, les protéger des rayonnements UV, améliorer les cellules souches épidermiques, agir sur la sénescence des fibroblastes dermiques et réduire les rides.
Défis Sémantiques et Controverses
La notion de cellule souche est polysémique et porteuse d'ambiguïté. La grande circulation de cette notion, tant dans les espaces savants que dans le langage courant, en fait un enjeu didactique majeur et interroge son traitement culturel dans le vaste champ des controverses scientifiques. La marge de manœuvre pour réduire ces préoccupations sémantiques doit être interrogée, car elles ne traduisent pas toujours une faiblesse descriptive ; elles peuvent témoigner de divergences au niveau des conceptions fonctionnelles du vivant.
Les défis sémantiques liés à la description du monde vivant s'étendent à des notions très contemporaines comme celles de clonage thérapeutique et de clonage reproductif, expressions polysémiques et porteuses d'ambiguïté qui furent en vogue à la fin des années quatre-vingt-dix et qui inaugurèrent les débats publics autour de l'ingénierie cellulaire.
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