Lire l`article complet

Nouveaux
concepts
Des cellules souches mésenchymateuses
pour réparer les tissus :
une réalité palpable
Isabelle Lihrmann*
L
es cellules souches mésenchymateuses (mesenchymal stem cells [MSC]) adultes sont des cellules
souches présentes dans de nombreux tissus et
organes, généralement en petite quantité et à l’état
quiescent. Toutefois, elles peuvent être réactivées et
différenciées en réponse à des signaux qu’elles reçoivent
des tissus endommagés afin de réparer le traumatisme.
C’est donc un système de réparation naturel in vivo.
Elles peuvent être multipliées facilement, traitées ou
modifiées en dehors du corps (ex vivo), et elles sont
douées d’une grande plasticité cellulaire, puisqu’elles
sont capables de se différencier en multiples types
cellulaires (par exemple : ostéoblaste, chondrocyte,
adipocyte, myocyte, cellule bêta-pancréatique et autres
types cellulaires). Elles interagissent avec leur microenvironnement en diminuant la réponse immunitaire du
receveur et en sécrétant des facteurs de croissance,
stimulant ainsi la régénération tissulaire. Par ailleurs,
elles présentent peu d’éléments du système majeur
d’histocompatibilité (major histocompatibility complex
[MHC]) à leur surface, ce qui leur permet d’échapper
à la réponse immunitaire du receveur. Enfin, les MSC
sont faciles à obtenir, à partir du sang de cordon, par
exemple. Tous ces aspects en font des outils attractifs
pour une utilisation en thérapie cellulaire afin de remplacer des cellules déficientes ou de reconstituer des
organes endommagés, mais aussi pour réintroduire une
substance qui fait défaut dans l’organisme.
Les différents types de cellules souches
* Laboratoire de différenciation et communication
neuronale et neuroendocrine (DC2N), unité mixte
inserm U982, IFRMP 23,
université de Rouen, MontSaint-Aignan.
304
Les cellules utilisées en médecine régénératrice sont
principalement classées en fonction de leur origine,
autologue (provenant du patient lui-même) ou allogénique (provenant d’un don), et de leur niveau de différenciation (cellules souches embryonnaires ou cellules
souches adultes). La classification des cellules souches,
encore discutée aujourd’hui, se fonde sur leur potentiel
de développement. Les cellules souches totipotentes
sont issues de l’embryon pendant les premières divisions
de l’ovule fécondé. Elles sont capables de se transformer
en toutes les cellules de l’organisme (tissus embryonnaires et extra-embryonnaires) et sont les seules à assurer le développement complet d’un individu. Les cellules
souches embryonnaires pluripotentes sont dérivées de
la masse cellulaire interne du blastocyste (embryon de
5 à 7 jours). Elles ont vocation à former tous les types
cellulaires différenciés de l’organisme (200 au total), à
l’exception des tissus extra-embryonnaires, mais ne
peuvent pas aboutir à la création d’un individu complet.
Les cellules souches adultes multipotentes sont des cellules dont le spectre de différenciation s’applique à un
grand nombre de types cellulaires, mais pas à tous. Les
cellules souches adultes oligopotentes sont seulement
capables de générer quelques types cellulaires d’un
même tissu. Les cellules souches adultes unipotentes
peuvent donner seulement un type de cellule avec
la capacité de s’autorégénérer (http://www.ariis.fr/
wp-content/uploads/2010/05/ therapie-cellulaireleem-2010.pdf).
Actuellement, les recherches sur des lignées de cellules souches embryonnaires humaines ne sont autorisées en France que de façon dérogatoire, pour des
raisons éthiques. En revanche, elles sont autorisées
depuis 2009 aux États-Unis. Par ailleurs, les premiers
résultats cliniques obtenus montrent que le risque de
développement d’un cancer après greffe de cellules
souches est beaucoup moins élevé avec des cellules
souches adultes, plus différenciées, qu’avec des cellules
souches embryonnaires. Actuellement, environ 23 %
des essais cliniques au niveau mondial utilisent des
cellules souches adultes. Au sein de ces cellules souches,
une catégorie est fortement étudiée depuis quelques
années : les cellules souches mésenchymateuses (1).
Les cellules mésenchymateuses
Il y a 130 ans, l’Allemand J.F. Cohnheim suggère que la
moelle osseuse chez les rongeurs contient des fibroblastes qui contribuent aux processus de réparation
tissulaire (cicatrisation de la peau, formation du cal
osseux). Puis, dans les années 1970, A.J. Friedenstein
Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIV - n° 9 - novembre 2010
Des cellules souches mésenchymateuses pour réparer les tissus : une réalité palpable
et al. sont les premiers à annoncer la présence de
cellules fibroblastiques pouvant être extraites de la
moelle osseuse murine adulte, capables de former des
colonies sur un support plastique et de se différencier
dans certains lignages cellulaires d’origine mésodermique (ostéoblaste, chondrocyte et adipocyte [2]).
Il s’agit là de la première preuve de l’existence dans
la moelle osseuse de ce qui serait appelé plus tard la
“cellule souche mésenchymateuse” (MSC), terme utilisé
par A.I. Caplan en 1999 (3). Les MSC seront par la suite
isolées à partir de moelle osseuse humaine (hMSC)
[4], et leur caractère multipotent sera démontré par
M.F. Pittenger et al. (5). Les données récentes tendraient à montrer que les MSC peuvent se différencier
en de nombreux types cellulaires qui ne dérivent pas
exclusivement du mésoderme (myocyte, ostéocyte,
endothélium, adipocyte, cardiomyocyte), mais aussi
de l’ectoderme (neurone) et de l’endoderme (hépatocyte, cellule bêta, épithélium pulmonaire) [figure 1].
Cette capacité à donner naissance à des cellules provenant des trois feuillets embryonnaires (ectoderme,
endoderme, mésoderme) les classerait donc parmi les
cellules souches pluripotentes.
L’origine embryologique des MSC n’est pas bien connue ;
on manque à l’heure actuelle de marqueurs pour localiser ces cellules in vivo. Plusieurs hypothèses ont été
proposées, qui mettent en jeu les péricytes entourant
les vaisseaux présents dans de nombreux organes, ainsi
que le neuroépithélium et les crêtes neurales à un stade
plus précoce (6).
étant adhérentes sur le plastique et pluripotentes. Les
MSC produisent également des molécules d’adhésion,
des interleukines, des chimiokines et des facteurs de
croissance, ainsi que les récepteurs de ces molécules.
Les divers signaux qu’elles peuvent ainsi émettre et
recevoir permettent à ces cellules de gagner spécifiquement (homing) les sites où les tissus sont endommagés
(blessure mécanique, inflammation, infection, cancer)
pour participer à leur réparation (1). Ils lui sont aussi
utiles pour interagir avec le microenvironnement, en
diminuant la réponse immunitaire et en stimulant la
régénération tissulaire. Par ailleurs, la présence de ces
marqueurs est utilisée pour évaluer l’homogénéité des
populations de MSC utilisées dans la communauté
scientifique (1).
Une meilleure tolérance immunitaire
Les cellules à transplanter peuvent être prélevées sur le
patient (autogreffe) ou sur un autre individu (allogreffe).
La greffe allogénique de cellules souches adultes comporte des risques de rejet causés par la présence des
antigènes du système majeur d’histocompatibilité à la
surface membranaire, problème qui ne se pose pas dans
le cas d’une autogreffe. De façon intéressante, les cellules multipotentes MSC expriment moins d’antigènes
du système majeur d’histocompatibilité (MHC) à leur
surface, notamment MHC II. Par ailleurs, elles présentent
des propriétés immunosuppressives. Elles inhibent la
différenciation des lymphocytes B, réduisant ainsi la
Caractérisation in vitro des MSC
L’idée selon laquelle les MSC constitueraient un système
de réparation naturel se fonde sur les résultats récents
montrant leur présence dans de nombreux tissus et
organes (par exemple : le sang circulant, le sang de
cordon provenant du placenta, la moelle osseuse, la
rate, le liquide amniotique, le cartilage, les tendons, le
tissu adipeux, le pancréas, etc.). Toutefois, l’équivalence
réelle de toutes ces populations et leur homogénéité
est loin d’être démontrée. L’absence de marqueurs a
été mise en cause.
On connaît mieux le phénotype des MSC humaines
multipliées in vitro. Les hMSC expriment un certain
nombre d’antigènes de surface (1) qui ont permis de
définir des critères d’identification. Ainsi, la règle établie
par M. Dominici et al. (7) fixe que les hMSC doivent
exprimer à leur surface les récepteurs CD73, CD90, et
CD105 et être négatives pour CD45 (le marqueur hématopoïétique), CD34, CD14, CD19 et HLA-DR, tout en
Agrégats de cellules
produisant de l’insuline
Cellule souche
mésenchymateuse
(cellule souche adulte)
Cellule produisant
de l’insuline
Myocyte
Prolifération
Différenciation contrôlée
in vitro
Cellule musculaire
cardiaque, striée
Chondrocyte
Cartilage
Autres types
cellulaires
Adipocyte
Ostéocyte OS
Figure 1. Plasticité des cellules mésenchymateuses. Les cellules MSC isolées à partir de différentes sources peuvent être multipliées et différenciées in vitro pour générer différents lignages
cellulaires dérivant des trois feuillets embryonnaires (ectoderme, endoderme, mésoderme).
Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIV - n° 9 - novembre 2010
305
Nouveaux
concepts
production d’anticorps. Elles inhibent la formation des
lymphocytes T, la prolifération des natural killer cells
(NK) et la différenciation des monocytes en cellules
dendritiques (1). Ces qualités immunosuppressives et
immunomodulatrices leur permettent d’échapper à
la réponse immunitaire dans le cas d’une allogreffe. Il
s’ensuit que la transplantation demande une compatibilité tissulaire receveur/donneur moins importante.
Utilisation des MSC pour la régénération
tissulaire
Il existe deux stratégies principales de traitement en
thérapie cellulaire : l’utilisation de cellules souches
pour remplacer des cellules endommagées et l’utilisation de cellules souches pour délivrer des agents
thérapeutiques dans les zones lésées. Dans ce cas, les
cellules peuvent être corrigées par transfert de gène
avant d’être réimplantées. Cette opération, qui combine
thérapie génique et thérapie cellulaire, est aussi appelée
thérapie génique ex vivo (figure 2). La médecine régénératrice utilisant la thérapie cellulaire peut en théorie
être appliquée à deux principaux types de pathologies :
les maladies dégénératives (par exemple : maladies de
Parkinson et d’Huntington) et les pathologies impliquant une destruction des cellules, des tissus ou des
organes (par exemple : diabète).
Les MSC ont été utilisées après multiplication ex vivo
et transplantation locale, ou administration systémique, dans une variété de modèles expérimentaux
de tissus lésés. L’une des limitations de l’administration
Thérapie cellulaire
Cellule
Modification
Amplification
Thérapie génique
Thérapie
génique
ex vivo
Gène
Ciblage
par un vecteur
Transplantation
Site d’action
Cellules cibles
Figure 2. Biothérapies incluant la thérapie cellulaire, la thérapie génique ainsi que la thérapie
génique ex vivo, cette dernière opération combinant thérapie génique et thérapie cellulaire.
306
systémique de MSC est, semble-t-il, le faible rendement du nombre de cellules parvenant à coloniser la
zone lésée. Ainsi, les MSC commencent à être utilisées
pour reconstituer l’os et le cartilage, ou pour traiter les
plaies chroniques chez l’homme et d’autres modèles
expérimentaux (6, 8, 9). L’implantation de hMSC dans
le cerveau du rat améliore les déficits neurologiques
résultant d’un épisode ischémique (10). L’administration
systémique de MSC de moelle osseuse a permis une restauration du rein et du cerveau lésés dans des modèles
animaux. Elle a été utilisée chez l’homme pour traiter
l’infarctus du myocarde. Après six mois, les patients ont
vu leur fonction cardiaque s’améliorer (11).
Des MSC issues de différentes sources tissulaires, comptant parmi elles le pancréas humain, le tissu adipeux, le
foie et la moelle osseuse, ont pu être différenciées en
cellules endocrines avec un phénotype de cellules bêtaproductrices d’insuline (11). L’administration systémique
de hMSC est capable d’infléchir la glycémie chez les
souris diabétiques. Cependant, l’insuline humaine n’est
pas détectée dans le pancréas des souris transplantées.
Il semble que les cellules injectées contribuent non pas
à se différencier en cellule bêta, mais à régénérer les
îlots de Langerhans de façon indirecte en promouvant
la différenciation de l’endothélium vasculaire autour de
l’îlot de Langerhans lésé (12). De nombreuses études
actuelles associent la thérapie cellulaire et la thérapie
génique afin d’augmenter le contenu en insuline et la
réactivité au glucose Ainsi la différenciation des MSC en
cellules bêta a-t-elle pu être obtenue en introduisant
le gène PDX-1 (pancreatic and duodenal homeobox 1)
codant pour un facteur de transcription essentiel à la
différenciation des cellules pancréatiques (13). La transplantation de ces cellules normalise la glycémie chez des
souris diabétiques. Les mêmes résultats ont été obtenus
par J. Xu et al. (14), qui ont transplanté des MSC produisant de l’insuline humaine par transfert rétroviral. Plus
récemment, N.K. Chen et al. (15) ont modifié des hMSC
de moelle osseuse en introduisant dans ces cellules
le gène de l’insuline sous le contrôle d’un promoteur
sensible aux variations de la glycémie (promoteur EGR1,
early growth response 1). La transplantation hépatique
ou intrapéritonéale de ces cellules génétiquement
modifiées chez la souris a corrigé de façon durable la
glycémie, la tolérance au glucose et le poids dans un
modèle de souris diabétique. L’ensemble des travaux
effectués dans ce champ de recherche apporte un réel
espoir pour la thérapie cellulaire du diabète. Ces bioimplants pourraient représenter à l’avenir une alternative
à la greffe d’îlots de Langerhans, pour le traitement des
patients diabétiques de type 1.
Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIV - n° 9 - novembre 2010
Des cellules souches mésenchymateuses pour réparer les tissus : une réalité palpable
Perspectives
La faible immunogénicité des MSC et leurs propriétés
immunosuppressives en font des outils attractifs pour
une approche de transplantation allogénique. De plus,
le fait d’utiliser des cellules adultes limite le risque de
développer des cancers et constitue une approche
plus sécuritaire que celle recourant à des cellules
souches embryonnaires. De façon très intéressante,
les MSC sont présentes dans le sang de cordon, une
source de MSC aux nombreux avantages. Le sang est
prélevé après l’accouchement sur le cordon ombilical, sans douleur pour la mère ni pour l’enfant. Il y a
un grand nombre de donneurs potentiels. Il peut être
utilisé directement comme greffon (après validation)
ou cryocongelé dans des banques, constituant ainsi
une source immédiatement disponible pour la régénération tissulaire. L’utilisation du sang de cordon est
en croissance constante et représente maintenant 27 %
des greffes. Il existe cependant une limitation à son
utilisation : son faible volume et la petite quantité de
cellules souches disponible. Pour cette raison, il ne peut
être utilisé pour l’instant que sur des enfants. La France
est encore en retard en termes de stockage de sang
de cordon, mais de nombreux efforts ont été réalisés
pour la création de nouvelles banques. Fin 2009, huit
banques de sang de cordon ont été établies en France
(contre trois en 2008).
Sur le plan clinique, selon une étude réalisée par le
Comité biotechnologies de santé du Leem (http://
www.ariis.fr/wp-content/uploads/2010/05/therapiecellulaire-leem-2010.pdf), quelques travaux pilotes
sont en cours (moins de 200 essais cliniques) à travers
le monde pour évaluer le potentiel thérapeutique des
MSC, principalement aux États-Unis, en Allemagne et
en France. Seuls quelques-uns sont en phase III. Vingtquatre pour cent de ces essais utilisent des cellules
adultes. La thérapie cellulaire cardiovasculaire est l’aire
thérapeutique la plus représentée (près de la moitié
des essais), la quasi-totalité de ces essais utilisant des
cellules souches mésenchymateuses. Les autres essais
concernent le traitement de lésions cutanées, et celui du
cartilage ou des pathologies osseuses. Les autres aires
d’application (tractus gastro-intestinal/pancréas/foie,
système nerveux central, sang, maladies hématologiques,
système immunitaire) sont minoritaires à l’heure actuelle.
Sur le plan expérimental, les études actuelles visent à
identifier les voies de transduction impliquées dans le
renouvellement, la multiplication et la différenciation
des MSC afin de développer des outils pharmacologiques permettant de promouvoir leur différenciation
in vivo. Celle-ci sera mieux connue si l’on parvient à
caractériser phénotypiquement les MSC in vivo (c’està-dire à découvrir de nouveaux marqueurs), ce qui
contribuera aussi à expliquer le rôle de ces cellules
dans l’organogenèse. ■
Références
1. Kode JA, Mukherjee S, Joglekar MV et al. Mesenchymal stem
7. Dominici M, Le Blanc K, Mueller I et al. Minimal criteria
for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The
International Society for Cellular Therapy position statement.
Cytotherapy 2006;8(4):315-7.
12. Lee RH, Seo MJ, Reger RL et al. Multipotent stromal cells
Keilis-Borok IV. Stromal cells responsible for transferring the
microenvironment of the hemopoietic tissues. Cloning in vitro
and retransplantation in vivo. Transplantation 1974;17(4):331-40.
8. Krampera M, Pizzolo G, Aprili G et al. Mesenchymal stem
13. Li Y, Zhang R, Qiao H et al. Generation of insulin-producing
3.
9. Abdallah BM, Kassem M. Human mesenchymal stem
cells: immunobiology and role in immunomodulation and
tissue regeneration. Cytotherapy 2009;11(4):377-91.
2. Friedenstein AJ, Chailakhyan RK, Latsinik NV, Panasyuk AF,
Caplan AI. Mesenchymal stem cells. J Orthop Res
1991;9(5):641-50.
4. Castro-Malaspina H, Gay RE, Resnick G et al. Characterization
of human bone marrow fibroblast colony-forming cells (CFU-F)
and their progeny. Blood 1980;56(2):289-301.
5. Pittenger MF, Mackay AM, Beck SC et al. Multilineage
potential of adult human mesenchymal stem cells. Science
1999;284(5411):143-7.
6. Ohishi M, Schipani E. Bone marrow mesenchymal stem
cells. J Cell Biochem 2010;109(2):277-82.
cells for bone, cartilage, tendon and skeletal muscle repair.
Bone 2006;39(4):678-83.
cells: from basic biology to clinical applications. Gene Ther
2008;15(2):109-16.
10. Zhao LR, Duan WM, Reyes M, Keene CD, Verfaillie CM, Low
WC. Human bone marrow stem cells exhibit neural phenotypes
and ameliorate neurological deficits after grafting into the
ischemic brain of rats. Exp Neurol 2002;174(1):11-20.
11. Brooke G, Cook M, Blair C et al. Therapeutic applications of
mesenchymal stromal cells. Semin Cell Dev Biol 2007;18(6):84658.
Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIV - n° 9 - novembre 2010
from human marrow home to and promote repair of pancreatic islets and renal glomeruli in diabetic NOD/scid mice.
Proc Natl Acad Sci USA 2006;103(46):17438-43.
cells from PDX-1 gene-modified human mesenchymal stem
cells. J Cell Physiol 2007;211(1):36-44.
14. Xu J, Lu Y, Ding F, Zhan X, Zhu M, Wang Z. Reversal of
diabetes in mice by intrahepatic injection of bone-derived
GFP-murine mesenchymal stem cells infected with the recombinant retrovirus-carrying human insulin gene. World J Surg
2007;31(9):1872-82.
15. Chen NK, Tan SY, Udolph G et al. Insulin expressed from
endogenously active glucose-responsive EGR1 promoter in
bone marrow mesenchymal stromal cells as diabetes therapy.
Gene Ther 2010;17(5):592-605.
307