Les cellules pluripotentes induites (IPS)

Avec la collaboration de Mathilde Girard, chargée de recherche en modélisation pathologique iPS à l’institut I-Stem à Evry - Février 2013.

Transformer une cellule adulte spécialisée en cellule immature capable de redonner n’importe quelle sorte de cellules de l’organisme ? Désormais, il ne s’agit plus d’un rêve de chercheur mais bien d’une réalité. Celle-ci a d’ailleurs valu le prix Nobel de médecine 2012 à Shinya Yamanaka, le chercheur japonais qui a mis au point la technique six ans plus tôt à l’université de Kobé.

La prouesse scientifique récompensée par le prix Nobel de médecine 2012 consiste à prélever pratiquement n’importe quelle cellule chez un adulte et à la reprogrammer génétiquement pour la rendre pluripotente, c’est à dire capable de se multiplier à l’infini et de se différencier en types de cellules qui composent un organisme adulte, exactement comme une cellule souche embryonnaire. Ces cellules sont appelées IPS pour cellules souches pluripotentes induites ("induced pluripotent stem cells").


On imagine déjà le potentiel énorme de ces cellules : facilement accessibles, et en quantité illimitée, elles pourraient permettre de régénérer des organes entiers.

En attendant, elles sont déjà largement utilisées pour modéliser de nombreuses pathologies et tester l’efficacité de molécules potentiellement thérapeutiques.


reportage Pr Yamanaka prix nobel de médecine... par TVFRANCEJAPON

Un nouveau type de cellules souches

Des cellules souches sont naturellement présentes chez l’embryon et dans certains organes ou tissus adultes. Certaines cellules souches sont dites "pluripotentes" : elles peuvent se différencier en n’importe quel type de cellules de l’organisme, sans restriction. C’est le cas des cellules souches embryonnaires (ES). D’autres sont partiellement engagées dans une voie de différenciation, ce qui limite la variété des cellules spécialisées qu’elles pourront donner par la suite. C’est le cas des cellules souches adultes et des cellules souches issues de cordon ombilical.

Présentes lors des premiers stades du développement de l’embryon, les cellules souches embryonnaires sont relativement faciles à cultiver in vitro. Toutefois leur obtention passe par la destruction d’un embryon, ce qui pose un problème éthique. De ce fait, leur utilisation est actuellement interdite en France. Des dérogations permettant la réalisation de recherches dans des conditions extrêmement contrôlées peuvent toutefois être accordées par l’Agence de la Biomédecine.

Les cellules souches adultes proviennent de tissus qui se renouvellent. On en trouve par exemple dans la moelle osseuse où elles sont à l’origine des cellules sanguines (cellules souches hématopoïétiques), dans l’épiderme (cellules souches kératinocytaires) ou encore dans le tissu adipeux (cellules souches mésenchymateuses). Ces cellules sont présentes en faible quantité et moins faciles à cultiver que les cellules souches embryonnaires. Elles ne peuvent en outre produire que certains types de cellules différenciées, en fonction de leur tissu d’origine.

Les cellules IPS sont quant à elles identiques aux cellules souches embryonnaires, mais elles sont obtenues par reprogrammation génétique de cellules adultes différenciées. Depuis 2007, des centaines de lignées de cellules IPS ont été obtenues à partir de presque tous les types de cellules adultes capables de se multiplier.

Les cellules IPS en pratique

La reprogrammation de cellules différenciées en cellules IPS consiste à les modifier génétiquement pour réactiver les signaux d’immaturité et de prolifération caractéristiques d’une cellule pluripotente.

Pour cela quatre gènes surexprimés dans les cellules souches embryonnaires sont suffisants et nécessaires : Oct3/4, Sox2, c-Myc, et Klf4. Le gène c-Myc est notamment connu pour ses capacités à faire proliférer les cellules. Le fait de réactiver la pluripotence éteint les autres gènes de différenciation exprimés par la cellule.


La technique consiste à faire pénétrer ces quatre gènes dans la cellule adulte afin qu’ils s’y expriment.

Au début, les chercheurs utilisaient des vecteurs viraux qui avaient l’inconvénient majeur de s’intégrer dans le génome de la cellule hôte et entrainaient un risque de mutation et d’expression prolongée de ces gènes. Ces défauts sont désormais corrigés grâce à l’utilisation de nouveaux vecteurs non intégratifs : des plasmides ou encore le virus de Sendaï qui pénètrent dans la cellule puis finissent par se perdre au cours des divisions.

Des expériences de reprogrammation réduisant le nombre de gènes à introduire à trois, voire deux, ont été réalisées. Toutefois, le standard reste aujourd’hui l’introduction des quatre gènes utilisés par Shinya Yamanaka en 2006.

Toutes les cellules adultes qui prolifèrent peuvent être utilisées pour cette reprogrammation. Les fibroblastes cutanés sont les cellules les plus utilisées car elles sont faciles d’accès. Mais des essais concluants ont eu lieu avec bien d’autres type de cellules : kératinocytes (autres cellules de la peau), adipocytes, cellules hématopoïétiques (du sang)…

Les avantages des cellules souches embryonnaires, sans leurs inconvénients

Les cellules IPS ont les mêmes atouts que les cellules souches embryonnaires humaines : elles prolifèrent à l’infini et peuvent se différencier en tous les types de cellules de l’organisme. Mais elles ont des avantages supplémentaires: elles sont faciles d’accès, par simple biopsie chez l’adulte, et leur utilisation ne pose pas de problème éthique.

De plus, les cellules IPS peuvent provenir de donneurs sélectionnés pour leur patrimoine génétique. Cela permet de cultiver des cellules malades et de modéliser des pathologies pour les étudier. Autre intérêt dans le cadre de la médecine régénérative, il est possible de choisir un donneur compatible avec le receveur à traiter pour éviter un rejet de greffe.

Quelques bémols

Néanmoins, l’utilisation de ces cellules est très récente et pose encore un certain nombre de questions. Les scientifiques estiment par exemple que la reprogrammation n’est pas complète, dans le sens où des modifications du génome acquises au cours de la vie de la cellule persistent après la reprogrammation (modifications épigénétiques). Il est également légitime de se demander si la reprogrammation elle-même n’induit pas de mutations ou de modifications génétiques pouvant par la suite altérer le fonctionnement de ces cellules IPS.

Des modèles de maladies génétiques à foison

Les cellules IPS sont d’ores et déjà utilisées pour de la modélisation de pathologie : en prélevant des cellules d’un adulte porteur d’une maladie génétique, il est possible de les reprogrammer, de les faire proliférer, puis de les redifférencier dans le type de cellules qui exprime la maladie. Les chercheurs disposent alors d’une source illimitée de cellules malades pour étudier les mécanismes de la pathologie, tenter de corriger la mutation, tester des molécules thérapeutiques ou encore évaluer la toxicité d’un produit.

L’étape de re-différenciation est guidée in vitro par l’utilisation de facteurs de croissance adaptés. Elle est bien au point pour obtenir des cellules cardiaques, sanguines, du muscle lisse, des hépatocytes, des cellules rétiniennes ou encore des neurones. Toutefois, certaines lignées restent impossibles à recréer à ce jour. C’est par exemple le cas du muscle strié.

Des lignées de cellules IPS sont déjà disponibles pour étudier des dizaines de maladies comme la sclérose latérale amyotrophique, maladie de parkinson, le diabète de type 1, la maladie de Huntington, la trisomie 21, l’immunodéficience sévère combinée, le syndrome de Lesch-Nyhan, la maladie de Gaucher, le syndrome de Shwachman-Bodian-Diamond ou encore les dystrophies musculaires de Duchenne et de Becker.

Les cellules pluripotentes induites (IPS), pour étudier et traiter les maladies - Les IPS sont obtenues à partir de cellules adultes spécialisées, le plus souvent des cellules de la peau (1). Ces cellules sont génétiquement modifiées (2) pour redevenir immatures, semblables à des cellules souches embryonnaires. Le chercheur peut alors guider leur « re-différenciation » en cellules spécialisées de son choix (cellules cardiaques, hépatiques, rétiniennes, nerveuses…) (3) qui seront utilisées comme modèle d’étude (4) ou, dans le futur, comme cellules thérapeutiques (5).

Les cellules pluripotentes induites (IPS), pour étudier et traiter les maladies - Les IPS sont obtenues à partir de cellules adultes spécialisées, le plus souvent des cellules de la peau (1). Ces cellules sont génétiquement modifiées (2) pour redevenir immatures, semblables à des cellules souches embryonnaires. Le chercheur peut alors guider leur « re-différenciation » en cellules spécialisées de son choix (cellules cardiaques, hépatiques, rétiniennes, nerveuses…) (3) qui seront utilisées comme modèle d’étude (4) ou, dans le futur, comme cellules thérapeutiques (5).

Des chercheurs de l’Inserm et de l’Institut Pasteur ont par exemple réussi à corriger une mutation responsable d’une insuffisance hépatique dans des cellules IPS de patients malades. Ces cellules ont ensuite été redifférenciées en hépatocytes, puis injectées chez des souris présentant la pathologie. Les résultats ont été très encourageants : elles étaient parfaitement fonctionnelles et ont contribué à régénérer le foie malade des animaux.

Vers un premier essai clinique

L’autre application majeure des cellules IPS sera la thérapie cellulaire ou médecine régénérative. Les cellules ne pourront pas être utilisées telles qu’elles car elles induiraient la formation de tératomes, des masses de cellules qui prolifèrent et se différencient de façon anarchique en tous types cellulaires. Elles devront être pré-différenciées in vitro avant d’être injectées chez le malade, au niveau du site lésé, avec des facteurs de croissance ou des molécules favorables à leur implantation et leur différenciation.

Des essais de thérapie cellulaire utilisant des cellules souches adultes ou des cellules souches de cordon ombilical sont déjà en cours. Mais ces applications sont limitées par la quantité et la nature des cellules souches disponibles. Les cellules souches neurales adultes sont par exemple rares et très difficiles d’accès. Il n’est donc pas envisageable de traiter des maladies neurodégénératives par ce biais. Les cellules IPS permettront de contourner cette difficulté et apporteront des solutions aux problèmes ne pouvant pas être résolus par l’utilisation des cellules souches adultes.

 

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Cure de jouvence pour cellules par Jean Marc Lemaitre

En ce qui concerne les essais de thérapie cellulaire utilisant des cellules pluripotentes, les chercheurs utilisent pour l’instant davantage les cellules souches embryonnaires, plus sûres sur le plan théorique. Ces dernières sont évaluées en cardiologie après un infarctus du myocarde, pour régénérer la rétine en cas de DMLA ou de dystrophie maculaire de Stargardt, dans les lésions traumatiques de la moelle épinière ou encore pour des pansements cutanés en cas d’ulcère chez les patients atteints de drépanocytose. Néanmoins, Shinya Yamanaka, le « père » des cellules IPS, a annoncé pour 2013 le lancement d’un premier essai utilisant des cellules IPS pour régénérer la rétine de patients atteints de DMLA. L’utilisation de ces cellules offre l’énorme avantage de pouvoir choisir le donneur en fonction de son patrimoine génétique pour prévenir un rejet de greffe par le receveur. A ce titre, le japonais constitue actuellement une banque de cellules IPS provenant de différents individus afin d’être en mesure de proposer aux malades les cellules les mieux tolérées.

 

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Cellules nourricières ipsc. Ces cellules agées, reprogrammées in vitro en cellules souches pluripotentes (IPSC pour Induced pluripotent stem cells) ont retrouvé leur jeunesse. Copyright Inserm, JM Lemaître

Colonie de cellules souches induites à la pluripotence (iPS, induced pluripotent stem cells), reprogrammées à partir de fibroblastes adultes humains normaux. Copyright Inserm, Y. Laâbi

Neurones humains corticaux issus de cellules souches pluripotentes. Copyright Inserm, A. Cabrera Soccoro

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