Transplantations intracérébrales : réalités et perspectives
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Transplantations intracérébrales : réalités et perspectives Extrait du Campus de Neurochirurgie http://campus.neurochirurgie.fr/spip.php?article416 Transplantations intracérébrales : réalités et perspectives - Etudiant en neurochirurgie - Documents - Livre Neurochirurgie - Date de mise en ligne : vendredi 16 janvier 2009 Campus de Neurochirurgie Copyright © Campus de Neurochirurgie Page 1/7 Transplantations intracérébrales : réalités et perspectives I - FONDEMENTS EXPERIMENTAUX DES TRANSPLANTATIONS INTRACEREBRALES : LA NEUROPLASTICITE Au cours des deux dernières décennies, nos idées sur l'organisation et le fonctionnement du cerveau adulte des mammifères ont considérablement évolué grâce à l'introduction d'une nouvelle dimension : le temps. Le besoin d'une telle révolution conceptuelle était tel qu'en quelques années toute la conception que l'on avait du fonctionnement du système nerveux central en a été modifiée. De relais, modulable, placé sur des voies nerveuses anatomiquement définies, chaque neurone est devenu aujourd'hui un être doué d'histoire, une histoire écrite par "la vie" (son activité passée) et dans "sa chair" (sa structure cellulaire). Chaque neurone - et par extension chaque réseau de connexions entre neurones - subit en permanence un apprentissage dont la conséquence apparaît dans la modification subséquente de son activité. Cette neuroplasticité fonctionnelle des neurones adultes repose sur la capacité que possèdent les neurones de modifier leur propre structure et celle de leurs connexions synaptiques. Loin d'être un réseau rigide, le système nerveux remanie en permanence les points de contact que chacun de ces éléments forme avec ses cibles et avec ses afférences. Cela ne conduit pas à des altérations profondes des circuits anatomiques au sens macroscopique du terme mais, au plan microscopique, on peut établir que dans la plupart des cas, les connexions entre neurones sont dans un état d'équilibre dynamique. Cette nouvelle notion de l'organisation du système nerveux central a ouvert des perspectives tout à fait importantes du point de vue de la thérapeutique. A partir du moment où le système nerveux central est plastique, où il est capable d'établir naturellement de nouvelles connexions tout au long de la vie, il est possible aussi d'envisager d'y intégrer de nouvelles cellules ou d'agir sur les systèmes endogènes pour induire la restructuration de voies. Cette approche à potentialité thérapeutique s'appuie par ailleurs sur deux notions supplémentaires que les expérimentations animales ont mises à jour, la "réactivité" du système nerveux à la suite d'une lésion et la possibilité pour des cellules exogènes diverses de survivre et éventuellement de se développer, lorsque c'est nécessaire, après introduction dans le système nerveux central. La réactivité du système nerveux à la suite d'une lésion est une découverte fondamentale pour les approches à visée thérapeutique parce qu'elle démontre d'une part une amplification des possibilités de la neuroplasticité dans ces conditions pathologiques et qu'elle restreint d'autre part la possibilité d'intégration iatrogène d'éléments exogènes. Lorsque l'équilibre dynamique des connexions synaptiques est rompu de façon permanente, lors d'une lésion des voies axonales afférentes qui laissent la cellule post-synaptique orpheline ou lors d'une lésion neurodégénérative qui prive de cible les afférences, des phénomènes biochimiques et structuraux réactifs interviennent qui facilitent, au moins transitoirement, le rétablissement du système. Ces modifications concernent au premier chef les neurones. Les neurones afférents privés de cibles rétractent leurs arborisations axonales terminales et leurs boutons synaptiques. En revanche, les troncs axonaux ne quittent pas la zone neurodégénérative avant plusieurs mois et les neurones ne meurent pas brutalement par effet rétrograde. Il existe donc un potentiel anatomique de régénération des connexions pendant une longue période. Des greffes de neurones foetaux pratiquées à l'intérieur même des zones de neurodégénérescence jusqu'à plusieurs mois après la lésion ont permis de démontrer que ce potentiel était effectif et que des axones adultes étaient capables de repousser et de reprendre des contacts avec des cibles fournies par ce moyen. Réciproquement, la perte de voies axonales aboutissant sur une population de neurones crée, dans cette population, une situation nouvelle caractérisée par une permissivité pour de nouveaux contacts. Les neurones désafférentés retrouvent une capacité à la synaptogénèse tout à fait exceptionnelle chez l'adulte et sollicitent même apparemment la pousse de branches axonales capables de réaliser ces connexions. Lorsque des greffes de neurones dopaminergiques sont pratiquées, par exemple, dans un striatum privé de ses afférences Copyright © Campus de Neurochirurgie Page 2/7 Transplantations intracérébrales : réalités et perspectives nigrales, des facteurs diffusibles sont apparemment libérés par les neurones striataux qui suscitent la croissance dirigée des axones dopaminergiques vers les cibles. En revanche, un système nerveux central intègre n'autorise pas la pousse massive de nouvelles voies axonales ce qui, vraisemblablement, est une sécurité pour une approche thérapeutique puisque cette propriété limite les possibilités d'une innervation surnuméraire ou conflictuelle avec les réseaux fonctionnels. II - FONDEMENTS EXPERIMENTAUX DES TRANSPLANTATIONS INTRACEREBRALES : LA SURVIE DES CELLULES TRANSPLANTEES La survie de populations cellulaires après transplantation dans le cerveau est également une donnée de base des tentatives thérapeutiques réalisées ou envisagées aujourd'hui. De fait, le cerveau est un site particulièrement accueillant pour des greffes, quelle que soit la nature du tissu transplanté. Les moyens nécessaires à l'établissement d'une greffe au long cours sont par ailleurs bien moins sophistiqués que ceux que l'on doit mettre en oeuvre pour d'autres greffes d'organe. Les premières greffes intracérébrales des années 70 consistaient en l'introduction de morceaux de muscles, de système nerveux embryonnaire ou de glande médullo-surrénale dans le cerveau. Depuis, on a raffiné et diversifié les apports. Les transplantations n'impliquent plus pour l'essentiel des morceaux de tissus mais des suspensions cellulaires ; après les neurones embryonnaires, les cellules gliales et les cellules chromaffines, la panoplie s'est élargie aux fibroblastes cutanés, à d'innombrables cellules immortalisées et de lignées, aux myoblastes et à divers polymères et bio-polymères... Les derniers venus, et pas des moindres, sont les virus défectifs recombinants que l'on utilise comme vecteurs de thérapie génique. Les greffes neuronales sont fondées sur quelques règles simples : 1) on ne peut greffer que des petites fractions du système nerveux. Il s'agit en fait, quelle qu'en soit la modalité pratique, d'une greffe de cellules plutôt que de l'implantation d'un organe ou d'une portion d'organe. Cette restriction est lourde de conséquences quant aux indications thérapeutiques potentielles de la technique car on ne peut envisager de traiter que des maladies dans lesquelles une population neuronale aux caractéristiques homogènes fait défaut dans un site topographiquement limité du cerveau. Si la maladie touche en même temps de nombreuses catégories neuronales (cas de la maladie d'ALZHEIMER) ou si les neurones atteints sont dispersés (cas des maladies du motoneurone par exemple) la greffe intracérébrale de neurones n'est sans doute pas appropriée. 2) on ne peut greffer que des neurones issus du système nerveux foetal. C'est le moment, bref, durant lequel les neuroblastes sont juste placés mais n'ont pas encore développé de trop longs prolongements qu'il faut saisir pour assurer la survie de greffons fonctionnels. 3) le cerveau est un site (relativement) protégé du point de vue des réponses immunitaires. Le tissu cérébral est dépourvu d'un certain nombre de propriétés nécessaires à l'émergence d'une réponse immunitaire (cellules présentant les antigènes HLA II, draînage lymphatique, etc...) et de certaines protéines circulantes. On peut greffer, sans immunosuppression, des tissus nerveux foetaux dans le cerveau d'hôtes ne présentant pas les mêmes antigènes tissulaires. On peut greffer, sous immunosupression modérée, des tissus provenant d'une espèce dans le cerveau d'une autre, du rat chez le singe, de l'homme chez le rat, du lapin chez la souris, etc... A ces quelques règles de base, il faut ajouter une notion importante lorsque l'on envisage une substitution dans le système nerveux central, celle de la différence entre des systèmes "point-par-point" et des systèmes "diffus". Le principe de base d'organisation des systèmes "point par point" est la formation de chaînes, dont chaque neurone est un maillon. A chaque neurone, ou petit groupe de neurones, correspond un neurone ou un petit groupe de neurones-cibles. Lorsqu'une maladie touche un système de ce genre (la maladie de HUNTINGTON, par exemple), il n'y a pas d'autre moyen de rétablir le système que de substituer un relais aux neurones manquants. Un système diffus est caractérisé, anatomiquement, par une considérable dispersion des prolongements axonaux issus d'une seule cellule nerveuse et par la synthèse et la libération d'un type de neurotransmetteur, acétylcholine ou membre de la famille des monoamines. Un système diffus ne transmet pas directement de messages mais intervient sur la capacité de réponse des neurones-cibles à d'autres activations. Ces caractéristiques anatomiques, biochimiques et Copyright © Campus de Neurochirurgie Page 3/7 Transplantations intracérébrales : réalités et perspectives fonctionnelles conditionnent évidemment les effets produits par une maladie qui touche un système de ce genre (la maladie de PARKINSON, par exemple). Anatomiquement, l'atteinte d'une population neuronale très limitée produit une dénervation très étendue. Biochimiquement, la maladie se traduit (schématiquement) par l'absence d'une substance neuroactive dans les zones cibles. Fonctionnellement, l'activité des zones dénervées est altérée mais elle n'est pas impossible. Le rétablissement d'une activité correcte dans ces circuits dépend de l'apport d'une substance capable de les moduler. III - QUELQUES RESULTATS CLINIQUES DES TRANSPLANTATIONS INTRACEREBRALES Les transplantations intracérébrales à but thérapeutique ont concerné jusqu'à présent, pour l'essentiel, la maladie de PARKINSON (voir plus bas quelques mots sur d'autres pathologies). Deux types de cellules ont été utilisés, les cellules de la glande médullo-surrénale, sous la forme d'auto-greffes, et des neurones embryonnaires issus de la substance noire en allogreffes. Historiquement, les greffes de cellules médullo-surrénaliennes ont été les premières et sont encore les plus nombreuses. Leurs fondements scientifiques - un peu ténus - découlaient du caractère particulier des cellules chromaffines endocriniennes qui possèdent une origine neuroépithéliale (dans la crête neurale) et une potentialité de différenciation alternative en neurones de type sympathique au cours du développement. Les cellules chromaffines possèdent l'appareillage requis pour la biosynthèse des catécholamines. Leur production essentielle, chez l'adulte, est adrénergique. Il existe toutefois une composante noradrénergique non-négligeable dont l'importance varie suivant les espèces. L'enzyme PNMT nécessaire à la synthèse d'adrénaline à partir de noradrénaline est placée sous un contrôle tonique des produits du cortex de la glande et, lorsque l'on isole les cellules chromaffines en culture, cette production s'interrompt, les cellules chromaffines devenant alors de grosses productrices de noradrénaline (et dans certains cas de dopamine). L'idée que des cellules chromaffines pourraient servir de petite usine à dopamine dans le striatum des malades parkinsoniens a été nettement renforcée par le fait que l'on peut effectivement priver un malade d'une de ses médullo-surrénales sans entraîner de troubles majeurs. Les résultats cliniques obtenus avec cette première technique ont été décevants sur le plan de l'amélioration des symptômes parkinsoniens et préoccupants pour ce qui concerne l'effet iatrogène. En ce qui concerne l'amélioration clinique, la plus grosse série, publiée à partir d'une étude multi-centrique américaine et portant sur une centaine de malades, démontrait une amélioration motrice controlatérale chez 30% des patients alors qu'un deuxième tiers n'était pas amélioré et qu'un troisième s'aggravait. La préoccupation, qui a conduit d'abord à un moratoire puis à l'interruption de la procédure dans la quasi-totalité des équipes, est venue de la lourde morbidité et d'une certaine mortalité liées au protocole chirurgical. Les complications ventilatoires issues de la chirurgie surrénalienne chez des patients présentant des troubles du tonus musculaire ont été excessivement nombreuses. Elles ont conduit à quelques décès. L'autre type de cellules utilisé pour ces greffes à visée thérapeutique dans la maladie de PARKINSON est la population de neurones dopaminergiques mésencéphaliques issus de foetus humaines de 6 à 9 semaines de gestation. Contrairement à la précédente, cette technique s'appuyait dès le début de son utilisation en clinique sur une impressionnante littérature expérimentale. Les difficultés relatives présentées par la technique, notamment en ce qui concerne la préparation du tissu transplantable, ont également limité le nombre d'équipes impliquées et permis de mieux contrôler la qualité des groupes qui se sont investis dans l'expérimentation clinique. Les résultats que l'on peut interpréter à ce jour concernent un peu plus d'une centaine de patients dont la plupart ont été opérés par des équipes européennes (on ne possède que peu de données publiées sur une autre série numériquement importante réalisée à Cuba). Sans entrer dans le détail des procédures d'évaluation, on peut aujourd'hui affirmer que la transplantation de neurones dopaminergiques foetaux aboutit au développement d'un Copyright © Campus de Neurochirurgie Page 4/7 Transplantations intracérébrales : réalités et perspectives greffon au niveau duquel la capture de fluoro-DOPA - appréciée au PET-scan - est tout à fait indicative d'une bonne fonctionnalité des cellules. Sur le plan clinique, l'amélioration des symptômes parkinsoniens concerne essentiellement la motricité de l'hémi-corps controlatéral à une greffe unilatérale. Les malades continuent de présenter des troubles, notamment axiaux et de la marche, mais ils présentent une amélioration maintenue de la vitesse et de la qualité de mouvement des membres. Pour la plupart, les malades nécessitent toujours un traitement à la L-DOPA, mais les doses ont pu être réduites dans de nombreux cas. Il ne semble pas exister de complications secondaires à la greffe dans ce cas, une fois passé la période juste post-opératoire. En ce qui concerne d'autres expérimentations cliniques, la seule sérieuse aujourd'hui, c'est-à-dire la seule appuyée sur des travaux expérimentaux publiés apportant réellement une base solide à des essais thérapeutiques, est celle qui concerne l'introduction - intra-thécale - de cellules produisant de la met-enképhaline chez des patients souffrant de douleur chronique. Jusqu'à présent, cette étude, démarrée aux Etats-Unis par des allogreffes humaines de cellules chromaffines et poursuivie en Suisse par des xénogreffes de cellules bovines empaquetées dans des polymères ne peut être compètement évaluée. Elle ne porte que sur des patients cancéreux au stade terminal. Quatre des 5 malades américains rapportés ont apparemment bénéficié de l'implantation puisqu'ils ont pu baisser considérablement leur apport de morphine. Les 3 premiers patients implantés en Suisse ont également présenté quelques effets positifs mais n'ont pu être suivis plus de quelques semaines en raison de leur pathologie primaire. Les autres transplantations neuronales dont on apprend incidemment l'existence, qu'il s'agisse de schizophrénie, de traumatismes spinaux ou de STEELE-RICHARDSON sont, étant donné la faiblesse voire l'absence de données expérimentales, en dehors des cadres éthiques de la comunauté scientifique et médicale. IV - QUELQUES ECHOS DE LA RECHERCHE EXPERIMENTALE Pour finir, on peut faire une liste, évidemment non-exhaustive, de quelques-unes des recherches expérimentales actuellement conduites avec sérieux dans les laboratoires et qui pourraient déboucher à terme sur des applications cliniques mais ne sont pas encore suffisamment avancées pour que celles-ci soient réellement programmées. Un certain nombre de travaux portent sur des greffes spécifiquement destinées à reconstituer les gaines de myéline dans les maladies démyélinisantes et, d'abord, dans la sclérose en plaques. Les oligodendrocytes et les cellules de SCHWANN sont en effet capables, après transplantation intracérébrale, de remyéliniser des axones ayant perdu leur gaine normale et d'assurer ainsi une reconstitution fonctionnelle de certains circuits centraux. Pour le monde biomédical, ce début des années 90 marque par ailleurs l'explosion des techniques expérimentales de transfert de gène(s) et leurs premiers pas dans la thérapeutique contre des maladies variées, d'origine génétique (mucoviscidose par exemple) ou non (cancer, etc..). La thérapie génique appliquée au cerveau et à la moelle épinière est pleine d'espoirs et de projets. Il faudra toutefois attendre les premières concrétisations pour savoir si l'engouement actuel était de bon aloi. La création de mini-pompes biologiques capables de synthétiser et de libérer des substances d'intérêt thérapeutique, est poursuivie dans le cadre de la thérapie génique directe - par vecteur viral - ou indirecte - par greffe de cellules transfectées. Pour faciliter l'application thérapeutique potentielle d'une part, le geste technique d'autre part, on a recherché comme vecteurs des cellules que l'on puisse aisément prélever chez le malade lui-même et faire proliférer activement en culture pour permettre un transfert de gène par un rétrovirus recombinant. Deux cellules ont répondu, à ce jour, à ces critères : les fibroblastes cutanés et les myoblastes. Le principe de l'utilisation des deux types de cellules est le même, il s'agit de prélever des cellules, de les mettre en culture dans des conditions dans lesquelles elles se divisent Copyright © Campus de Neurochirurgie Page 5/7 Transplantations intracérébrales : réalités et perspectives activement, puis d'ajouter au milieu de culture des rétrovirus déficients porteurs du gène thérapeutique. Les cellules sont alors mises en suspension dans un liquide et injectées, sous forme de goutte, dans le tissu nerveux ou dans un ventricule. Les fibroblastes, comme les myoblastes, cessent de proliférer après l'implantation et s'installent dans le cerveau de l'hôte qui les accueille. Il n'est pas encore évident d'obtenir l'expression d'un gène étranger par ces cellules pendant une longue période de temps. Enfin, on peut envisager dans des conditions très particulières de greffer des cellules de lignées tumorales. Ces lignées représentent un potentiel de thérapie génique indirecte extraordinaire pour de nombreuses raisons. Elles prolifèrent sans problème, mais elles peuvent aussi être conservées - congelées - et donc réaliser une banque de cellules aux caractéristiques déterminées. Leur diversité permet de sélectionner celles dont les caractéristiques correspondent au but recherché (par exemple existence d'un appareil de sécrétion ou présence d'une substance servant de co-facteur à la synthèse recherchée). Enfin, elles intègrent en général remarquablement bien un gène étranger que l'on peut même introduire par d'autres techniques (plus violentes mais moins complexes) que l'infection rétrovirale. Ces cellules sont toutefois mortelles si on les transfère dans un organisme sans précaution particulière. Une ligne de recherche conduite depuis des années par l'équipe de Patrick AEBISCHER suscite de plus en plus d'enthousiasme. Le fondement de cette technique est la possibilité de construire des polymères dans lesquels on a enfermé des cellules. Lorsque des cellules tumorales sont placées dans des polymères dont l'étanchéité a été réglée de telle façon que les petites substances puissent circuler librement mais ni les grosses protéines ni a fortiori les cellules, on peut les faire survivre durablement après les avoir implantées dans le cerveau d'un animal. Si les résultats expérimentaux obtenus avec des cellules productrices de substances aussi variées que des endomorphines, de la dopamine, des facteurs neurotrophiques etc... se confirment, la possibilité d'une application de cette technique à la thérapeutique est certainement aussi grande que pour les transplantations de cellules autologues non-issues de lignées. BIBLIOGRAPHIES 1 - Akli S, Caillaud C, Vigne E et al : Transfer of foreign genes into the brain using adenovirus vectors. Nature Genetics 3 : 224-228, 1993 2 - Dunnnett SB : Neural transplantation in animal models of dementia. Eur J Neurosci 2 : 567-587, 1990 3 - Gage FH, Björklund A, Stenevi U et al : Intracerebral grafting of neuronal cell suspensions. VIII. Survival and growth of implants of nigral and septal cell suspensions in intact brains of aged rats. 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