L'infertilité masculine touche un nombre important d'hommes à travers le monde. Face à ce défi, la science progresse et offre de nouvelles perspectives grâce à la recherche sur les cellules souches et le développement de technologies de spermatogénèse in vitro. Des start-ups innovantes se positionnent à l'avant-garde de ces avancées, ouvrant la voie à des traitements potentiels pour l'infertilité masculine et la préservation de la fertilité.
Kallistem: Pionnier de la Spermatogénèse In Vitro
La start-up française Kallistem, issue de l’Institut de génomique fonctionnelle de Lyon, a réalisé une première mondiale en réussissant une spermatogénèse humaine in vitro à partir de prélèvements effectués chez des hommes infertiles. Les chercheurs, menés par Philippe Durand, directeur scientifique de Kallistem et ancien directeur de recherche INRA, et Marie-Hélène Perrard, chargée de recherche CNRS, ont développé une technologie de thérapie cellulaire permettant la différenciation des cellules souches germinales (qui transmettent les caractères héréditaires) afin de produire, hors du corps, des spermatozoïdes morphologiquement normaux. Leur technologie a fait l’objet d’un dépôt de brevet publié en juin 2015.
La Technologie Artistem
Kallistem espère répondre aux besoins de deux types de patients avec le procédé Artistem. À partir d’une biopsie testiculaire effectuée chez ces hommes infertiles, les chercheurs pourront obtenir in vitro des spermatozoïdes par maturation des spermatogonies, disponibles même chez les garçons pré-pubères. Les spermatozoïdes obtenus seront utilisés en fécondation in vitro avec micro-injection dans l’ovocyte, et pour les plus jeunes patients, les spermatozoïdes pourraient être cryo-conservés jusqu’au désir de paternité.
Les Défis Relevés par Kallistem
Plusieurs équipes dans le monde tentent depuis plus de quinze ans de réaliser in vitro une spermatogenèse humaine, un processus physiologique complexe et long de 72 jours (contre 34 pour la souris). Philippe Durand et Marie-Hélène Perrard savaient déjà isoler les « tubes séminifères » (lieu de production des spermatozoïdes) sans altération et à partir de tissus testiculaires. Cependant, le confinement de ces tubes séminifères n’était pas suffisamment efficace et stable pour qu’ils fonctionnent in vitro pendant toute la durée de la spermatogénèse. Grâce à une collaboration avec Laurent David, professeur de l’université Claude Bernard Lyon 1, membre du laboratoire Ingénierie des matériaux polymères (CNRS/Université Claude Bernard Lyon1/Insa/UJM), les chercheurs ont pu assurer un confinement propice des tubes séminifères pour une spermatogénèse intégrale très proche des conditions in vivo. Ils ont pour cela conçu un bio-réacteur utilisant du chitosane : une substance naturelle présente dans la paroi de champignons ou pouvant être produite à partir de chitine, composant la carapace de crustacés. Fin 2014, les chercheurs ont ainsi réussi, pour la première fois, à produire in vitro des spermatozoïdes humains.
Évaluation de la Qualité des Spermatozoïdes
Avant de confirmer la possibilité de telles applications, la qualité des spermatozoïdes produits devra être analysée. Tout d’abord, à partir des modèles de rongeurs, les ratons nés à partir de spermatozoïdes formés in vitro seront étudiés d'un point de vue physiologique et comportemental pour vérifier notamment la normalité des organes et la capacité à se reproduire. Puis, des gamètes humains seront étudiés d'un point de vue biochimique et épigénétique.
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Applications et Perspectives Thérapeutiques
Cette avancée ouvre des pistes thérapeutiques attendues depuis de nombreuses années par les cliniciens. En effet, aucun traitement n'existe aujourd'hui pour préserver la fertilité des jeunes garçons pré-pubères soumis à un traitement gonadotoxique, comme certaines chimiothérapies : or plus de 15 000 jeunes patients atteints de cancer sont concernés dans le monde. Il n'existe pas non plus de solution pour les 120 000 hommes adultes qui souffrent d'infertilité non prise en charge par les technologies actuelles.
Préservation de la Fertilité chez les Garçons Pré-pubères
Les traitements de conditionnement pré-greffe, comme la chimiothérapie à forte dose, ont pour effets secondaires de détruire les spermatozoïdes, ainsi que les cellules souches. Or les cellules souches permettent de constituer un stock. La spermatogénèse n’est possible de manière continue que grâce à ce stock. C’est pourquoi la disparition des cellules souches rend la spermatogénèse impossible.
Avant de recevoir le traitement, le tissu est prélevé pour conservation. La loi de bioéthique de 1994 a été révisée en 2004: toute personne atteinte de pathologie ou devant subir une intervention à risque doit au moins être informée des techniques de préservation de sa fertilité. Par incision de la peau, un échantillon de testicule est prélevé (le testicule grandit peu de la naissance jusqu’à 8 ans). Le prélèvement est transmis au laboratoire, pour être découpé en petits morceaux en présence d’un cryoprotecteur pour protéger les cellules. Un automate de congélation congèle ensuite les cellules pour les conserver.
Traitement de l'Infertilité Masculine
Pour les patients qui sont azoospermiques, c’est à dire qui n’ont pas de spermatozoïdes, on a pu développer une méthodologie pour extraire les spermatozoïdes à partir du tissu testiculaire, quand il en reste quelques uns. Pour les patients qui souffrent d’une azoospermie obstructive, c’est à dire quand grossièrement les tuyaux sont bouchés (un tiers des cas environ), on a beaucoup de spermatozoïdes dans les testicules, donc il n’y a pas de difficultés. Mais pour les patients qui ont un trouble de la spermatogénèse (les trois quart restant), la moitié d’entre eux ont des petits îlots où il reste encore quelques spermatozoïdes. En utilisant la biopsie testiculaire, on arrive à avoir des spermatozoïdes pour faire une FIV dans 50% des cas. Pour ceux qui n’ont rien, certains vont avoir des cellules germinales, des spermatogonies au moins, et à ce moment là, on espère pouvoir améliorer leur spermatogénèse. Cela va dépendre de la maladie qui les aura rendus stériles. Il y aura une recherche à faire pour savoir quels sont les patients qui pourront bénéficier de cette méthodologie. Ce ne seront pas tous les patients, mais c’est prometteur et cela constitue une avancée de plus dans l’amélioration de la prise en charge de la stérilité masculine.
Autres Approches et Acteurs de la Recherche
Plusieurs laboratoires dans le monde étudient la transformation de cellules souches embryonnaires en cellules sexuées. Une équipe franco-américaine a ainsi publié dans la revue Science un article relatant la transformation in vitro de cellules souches embryonnaires de souris en ovocytes.
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L'Équipe de Katsuhiko Hayashi
Selon le professeur Katsuhiko Hayashi, généticien du développement à l’université d’Osaka et « pionnier de renommée internationale dans ce domaine », les scientifiques ne sont plus qu’à « quelques années » de fabriquer des gamètes humains viables en laboratoire. Son propre laboratoire est à « environ sept ans » de parvenir à la gamétogenèse in vitro (GIV), un procédé qui consiste à « transformer des cellules adultes de la peau ou du sang en ovules et en spermatozoïdes ».
Lors d’une présentation à la conférence de l’ESHRE, Katsuhiko Hayashi a décrit les dernières avancées de son équipe, notamment la fabrication de « spermatozoïdes primitifs » de souris à l’intérieur d’un organoïde de testicule cultivé en laboratoire et le développement d’un organoïde d’ovaire humain. Son équipe est parvenue à faire croître des spermatocytes dans des « testicules artificiels » de souris, qui mesurent environ 1 mm de diamètre, puis les cellules sont mortes. Les sept années évoquées par le chercheur sont nécessaires pour obtenir in vitro des spermatozoïdes humains viables.
Conception Biosciences
Parmi les autres acteurs du domaine on recense une équipe de l’université de Kyoto et une start-up californienne, Conception Biosciences, dont les bailleurs de fonds de la Silicon Valley comprennent le fondateur d’OpenAI, Sam Altman. Matt Krisiloff a assuré que la société de biotechnologie « progresse très bien dans l’élaboration d’un protocole complet ».
L'Expérience Germano-Britannique
Une équipe germano-britannique a fait naître des souris en fécondant artificiellement des ovocytes avec des spermatozoïdes produits in vitro à partir de cellules souches embryonnaires. Publié dans le numéro de juillet de la revue Developmental Cell, le travail de Karim Nayernia et de ses collaborateurs constitue la première démonstration qu'il serait possible de produire des cellules sexuées fonctionnelles, avec d'éventuelles applications dans le traitement de l'infertilité.
Karim Nayernia explique qu'il espère à l'avenir "produire in vitro des spermatozoïdes fonctionnels à partir de cellules souches provenant d'embryons de souris de sexe féminin". Il souligne que l'originalité de ses recherches sur la souris a été de montrer qu'il était possible de "créer des lignées de cellules souches spermatogoniques, précurseurs des spermatozoïdes, à partir de cellules souches embryonnaires, puis de les faire ensuite évoluer jusqu'à devenir des spermatozoïdes et, enfin, que ceux-ci étaient capables de féconder un ovocyte".
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Défis et Limites
Malgré ces avancées prometteuses, de nombreux défis restent à relever. La spermatogénèse in vitro est un processus complexe qui nécessite une compréhension approfondie des mécanismes biologiques impliqués.
Amélioration des Techniques de Culture
L’amplification par culture in vitro est peu efficace chez l’humain. Pour y parvenir, il sera nécessaire de mettre au point les techniques de culture. Cela passe par une connaissance des facteurs de croissance de la cellule, en identifiant les gènes exprimés par la cellule. De nombreuses techniques de bio-ingénierie sont utilisées pour améliorer les conditions de culture in vitro.
Restauration de la Fertilité à Partir de Tissu Testiculaire Immature
Aucune réutilisation du tissu testiculaire immature n’a encore permis de restaurer la fertilité d’un enfant devenu adulte. Cette technique demeure donc encore au stade expérimental. Elle est cependant proposée dès à présent aux enfants dans l’espoir de progrès scientifique futurs, pour que le tissu testiculaire puisse être réutilisé plus tard. Le défi à relever est le suivant : réussir à décongeler le tissu immature et le rendre mature, ce qui est très complexe. Il convient d’offrir à ce tissu, qui n’est plus présent dans le corps, les conditions pour qu’il puisse se différencier. Les petits fragments sont cultivés pour qu’ils se différencient.
Limites de l'Expérience Germano-Britannique
Il faut toutefois souligner les limites importantes de ce travail expérimental. La technique possède un faible rendement, puisque les auteurs indiquent avoir injecté des spermatozoïdes dans 210 ovocytes. Seuls 65 oeufs se sont développés jusqu'au stade de deux cellules et 7 animaux sont nés. De plus, les spermatozoïdes obtenus présentaient tous une absence ou une réduction de la motilité. Les souriceaux étaient plus petits ou plus gros que la normale et mouraient prématurément.
Questions Éthiques et Réglementaires
Ces avancées scientifiques soulèvent également des questions éthiques et réglementaires importantes.
Manipulation Génétique
Une des applications possibles de cette technique serait de modifier génétiquement la cellule souche avant de la transplanter. Or la manipulation génétique demeure pour l’heure interdite en France.
Risques de Mutations Génétiques et Dépistage des Embryons
Outre le risque de « mutations génétiques dangereuses », la question se pose de savoir comment la technologie pourrait être appliquée. D’autres sont aussi prêts à envisager le dépistage de masse des embryons ou encore l’édition génétique des cellules souches utilisées pour créer des bébés.
Réflexion Éthique
Membre du Comité consultatif national d'éthique, le professeur Claude Burlet se dit "scandalisé" à l'idée que l'on utilise des cellules souches "autrement que comme un médicament". Quant à Jean-Claude Ameisen, président du comité d'éthique de l'Inserm, il souligne que "les frontières naturelles considérées comme infranchissables s'estompent peu à peu. Nous ne pourrons pas faire l'économie d'une réflexion éthique. Cela restaure l'importance du choix et de la responsabilité". En matière de reproduction, estime-t-il, "il n'est pas possible d'envisager l'expérimentation sans en espérer un bénéfice pour l'enfant, sans quoi il est instrumentalisé. Souvent, c'est le bénéfice des parents qui est avancé".
Importance du Financement de la Recherche
La recherche fondamentale est financée uniquement par le secteur public. L’ANR (Agence Nationale de Recherche) finance les recherches depuis 2014, sous forme d’appels d’offres. Ces recherches se situent sur une niche : leur impact est fort à titre individuel, mais peu d’enfants sont concernés. La fertilité s’inscrit dans la qualité de vie après le cancer. Or les soins de confort demeurent souvent relégués au second plan par les pouvoirs publics.
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