Cellules souches embryonnaires humaines

Dossier réalisé en collaboration avec Cécile Martinat, unité Inserm 861, Institut des cellules souches pour le traitement et l'étude des maladies monogeniques (I-STEM), Génopole, Evry – février 2015

Issues de l’embryon à un stade très précoce de son développement, les cellules souches embryonnaires sont douées de deux capacités importantes : celle de se multiplier à l’infini, par simple division (autorenouvèlement), et celle de donner naissance à tous les types de cellules de l’organisme (pluripotence). Ces propriétés ouvrent de nombreuses perspectives, non seulement pour la médecine régénérative, mais également pour l’étude des maladies génétiques et la mise au point de traitements.

Un formidable outil pour la recherche biomédicale

Laboratoire de culture cellulaire, manipulation sous hotte de cellules souches embryonnaires humaines, changement de milieu de culture. Unité 861 Inserm

Laboratoire de culture cellulaire, manipulation sous hotte de cellules souches embryonnaires humaines, changement de milieu de culture. Unité 861 Inserm "Institut des cellules souches pour le traitement et l'étude des maladies monogéniques" (I-stem), Evry.

Les cellules souches embryonnaires humaines intéressent les chercheurs à plus d’un titre. Elles permettent en effet d’acquérir de nouvelles connaissances sur :

  • le développement normal et pathologique humain. A partir de cellules issues d’embryons sains ou malades, les chercheurs peuvent étudier les différents stades du développement ainsi que le devenir des différentes cellules qui composent l’organisme.
  • des maladies génétiques rares, en utilisant des cellules porteuses d’une altération génétique associée à une telle maladie. Ces cellules servent de modèle cellulaire de la maladie et permettent notamment de tester des médicaments.
  • le fonctionnement des cellules de différents organes et les maladies associées. Pour cela, il est nécessaire d’induire la différenciation des cellules souches embryonnaires en cellules spécialisées à étudier (neurones, cellules cardiaques, hépatocytes, cellules du pancréas, cellules musculaires...). Cette approche est particulièrement utile quand il s’agit de travailler sur des cellules qui se renouvellent peu (ou pas) dans l’organisme et qui sont difficilement accessibles, comme les neurones.

Par ailleurs, les cellules souches embryonnaires humaines peuvent être utilisées en thérapie cellulaire, pour régénérer un organe ou produire des substances nécessaires à rétablir une fonction biologique. Elles constituent un réservoir inépuisable de cellules qu’il est possible de différencier en cellules d’intérêt thérapeutique à délivrer à un patient.

D’où viennent les cellules utilisées par les chercheurs ?

Les blastocystes sont des embryons âgés d'environ 5 jours dans l'espèce humaine. © Inserm, F. Koulikoff

Les blastocystes sont des embryons âgés d'environ 5 jours dans l'espèce humaine.

Les cellules souches embryonnaires sont prélevées sur des embryons entre le 5e et le 7e jour suivant une fécondation in vitro (stade blastocyste du développement embryonnaire). L’embryon se présente alors comme un ballon contenant un autre petit ballon accroché à sa paroi interne : la masse cellulaire interne. C’est dans cette masse que sont localisées la trentaine de cellules pluripotentes qui donneront toutes les cellules de l’organisme. Ces cellules sont prélevées et placées en culture. Dans des conditions adéquates, elles se multiplient alors spontanément en conservant leur état indifférencié. Mais en modifiant les conditions de culture (utilisation de milieux de culture spécifiques), il est possible d’induire et d’orienter leur différenciation vers tel ou tel type de cellules spécialisées (neurones, cardiaques, musculaires…).

En pratique, les cellules souches embryonnaires sont prélevées sur des embryons surnumérairesobtenus par fécondation in vitro et qui ont été congelés en prévision d’un projet parental finalement abandonné. Les scientifiques travaillent le plus souvent à partir de lignées détenues et commercialisées par des laboratoires, évitant ainsi de sacrifier inutilement des embryons. Le fait que les cellules pluripotentes se multiplient à l’infini offre un réservoir inépuisable de cellules. Cependant, il est parfois nécessaire de créer une nouvelle lignée pour étudier une pathologie. Dans ce cas, les cellules souches proviennent d’un embryon porteur de la maladie question, identifié dans le cadre d’un diagnostic préimplantatoire (DPI) pratiqué suite à une fécondation in vitro. Le DPI est une pratique très encadrée, réservée aux couples qui risquent de transmettre à l’enfant une maladie génétique particulièrement grave et incurable.

Dans tous les cas, les parents biologiques doivent signer un consentement pour céder gratuitement l’embryon à la recherche (voir plus loin).

 

La recherche, l’embryon et l’éthique

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2D - Les cellules de tous les possibles

L’utilisation de cellules souches embryonnaires pose des problèmes éthiques : leur prélèvement nécessite en effet la destruction d’un embryon, et donc d’une vie humaine potentielle. Religions et cultures s’opposent sur la "valeur" de l’embryon au stade auquel il est détruit. Ainsi, les Juifs ne sont généralement pas opposés à cette recherche car, selon leurs croyances, l’embryon prend vie plus tard au cours du développement. L’Eglise catholique n’a pas la même position, estimant que la vie débute au stade de l’ovule fécondé. D’autres croyances abordent la question différemment : par exemple, les bouddhistes jugent que le bénéfice pouvant découler de ces recherches en termes de santé humaine justifie ce sacrifice. Néanmoins, toutes les cultures s’accordent sur le fait que l’embryon ne peut être instrumentaliséà des fins de rechercheet ne peut donc être conçu dans cette seule finalité : un embryon doit obligatoirement être conçu dans le cadre d’un projet parental.

Que disent les comités d’éthique ? 
En France, le comité consultatif national d’éthique est sollicité sur les questions relatives à l’utilisation des cellules souches embryonnaires. En 2010, il avait rendu un avis favorable sous conditions. Le groupe de travail "Embryon et développement" du Comité d’éthique de l’Inserm a également rendu publique une note allant dans le même sens, en juin 2014.

Une recherche bien encadrée

En France, depuis la révision de la loi de bioéthique de 2013, la recherche sur les cellules souches embryonnaires est autorisée, mais encadrée. L’Agence de la biomédecine assure cet encadrement. Les projets autorisés doivent répondre à plusieurs critères relatifs à leur pertinence, à l’éthique, à l’objectif d’apporter des progrès médicaux majeurs, au fait de ne pouvoir être réalisés en utilisant un autre type de cellules… En pratique, les chercheurs soumettent leur projet à l’Agence avant de commencer leurs travaux. Les projets autorisés le sont généralement pour une durée de 4 à 5 ans. A l’issue de cette période, les équipes doivent renouveler leur demande en justifiant la poursuite de leurs travaux.

La loi prévoit que les recherches autorisées peuvent être menées à partir d’embryons surnuméraires conçus dans le cadre d’une procréation médicalement assistée ne faisant plus l’objet d’un projet parental, après information et consentement écrit du couple concerné. Ce consentement doit être confirmé à l’issue d’un délai de réflexion de trois mois et peut être révoqué sans motif par les deux membres du couple ou le membre survivant tant que les recherches n’ont pas débuté.

Cellules souches embryonnaires ou IPS, des outils complémentaires

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POM Bio à croquer - Cellules et Réparations

Les cellules souches embryonnaires ne sont pas les seules cellules pluripotentes : depuis 2006, on sait également produire des cellules souches pluripotentes induites (IPS). Les cellules IPS sont obtenues à partir de cellules adultesdifférenciéesdans lesquelles quatre gènes de pluripotence sont introduits. Cette manipulation - on parle de "reprogrammation" - leur redonne l’habilité à se différencier en n’importe quel type de cellules et à se multiplier indéfiniment.

Les cellules IPS permettent de s’affranchir du problème éthique posé par l’utilisation et le sacrifice d’embryons. Elles permettent en outre d’obtenir des modèles cellulaires de maladies rares indisponibles à partir d’un embryon (maladies qu’on ne sait/peut pas détecter lors d’un DPI). Mais les cellules souches embryonnaires et les cellules IPS ne sont pas identiques :

L’ADN des cellules IPS n’est pas « natif » comme celui d’une cellule souche embryonnaire. Il garde les traces de changements épigénétiques intervenus au cours de la vie de la cellule avant la reprogrammation, sans parler des éventuelles mutations qui ont pu modifier sa séquence. Les modifications génétiques nécessaires à la reprogrammation des cellules adultes en cellules IPS sont également à prendre en compte, sans qu’on sache aujourd’hui dans quelle mesure elles posent problème (en particulier dans le cadre d’une utilisation thérapeutique des cellules IPS).

Autre différence majeure, cette fois en faveur des cellules IPS, les chercheurs ont accès à l’état de santé et au tableau clinique de la personne dont sont issues ces cellules. Cela peut apporter de précieuses informations dans le cadre de l’étude d’une maladie. Dans le cas des cellules souches embryonnaires, les chercheurs ne possèdent pas ces données cliniques.

La mutation DM1 entraîne une augmentation anormale des prolongements neuronaux. Caractérisation par immunomarquage de l'arborisation neuritique de neurones issus de cellules souches embryonnaires humaines à l'aide du marqueur cytoplasmique TuJI (rouge). Les noyaux sont révélés en bleu au Dapi. I-Stem, Génopole d'Evry. © Inserm, C. Martinat

La mutation DM1 entraîne une augmentation anormale des prolongements neuronaux. Caractérisation par immunomarquage de l'arborisation neuritique de neurones issus de cellules souches embryonnaires humaines à l'aide du marqueur cytoplasmique TuJI (rouge). Les noyaux sont révélés en bleu au Dapi. I-Stem, Génopole d'Evry.

Les cellules ES et IPS sont donc actuellement des outils de recherche complémentaires. Les chercheurs testent ces deux types de cellules dans différentes indications et pour étudier différents mécanismes. A l’Institut des cellules souches pour le traitement et l'étude des maladies monogeniques (I-STEM), une équipe a par exemple travaillé avec des cellules souches embryonnaires sur la myotonie dystrophique de type 1 et valide ses données avec des cellules IPS. En parallèle, cette équipe ne disposant pas de modèle cellulaire embryonnaire de l’amyotrophie spinale, elle s’est directement tournée vers les cellules IPS pour étudier cette maladie.

La thérapie cellulaire en bonne voie

L’utilisation de cellules souches embryonnaires en thérapie cellulaire a déjà donné lieu à plusieurs essais cliniques. Cette approche consiste à obtenir des cellules spécialisées saines et fonctionnelles à partir de cellules souches embryonnaires, puis à les injecter à un patient pour régénérer un organe ou restaurer sa fonction. Les cellules utilisées dans le cadre de ces essais doivent répondre à des normes strictes de qualité requises pour un usage thérapeutique et être agréées par les autorités de santé. Ces cellules sont dites de "grade clinique".

Ainsi, une société de biotechnologie américaine (Ocata Therapeutics) utilise des cellules souches embryonnaires humaines différenciées en cellules de la rétine pour lutter contre la DMLA et différenciées en cellules épithéliales pigmentaires de la rétine pour lutter contre la dystrophie maculaire de Stargardt. Dans les deux cas, des essais de phase I et II sont en cours pour évaluer la sécurité de cette approche et évaluer l’effet thérapeutique. Un autre essai se prépare dans la DMLA, piloté par The London Project to Cure Blindness en partenariat avec un laboratoire pharmaceutique (Pfizer). L’idée est la même : développer des cellules de la rétine à partir de cellules souches embryonnaires pour les injecter à des patients de plus de 50 ans souffrant de cette baisse d’acuité visuelle.

Sur le campus du Génopole d’Evry,  des chercheurs du laboratoire I-Stem (unité Inserm 861) travaillent en étroite collaboration avec l’Institut de la vision (unité Inserm 968) et l’AFM-Téléthon sur d’autres applications de thérapie cellulaire se fondant sur l’utilisation de cellules souches embryonnaires humaines. Ce laboratoire développe notamment l’utilisation de cellules souches embryonnaires humaines différenciées en kératinocytes dans le traitement des ulcères cutanés associés à une maladie génétique, la drépanocytose.

Dans le domaine de la cardiologie, une équipe de l’hôpital européen Georges Pompidou (unité Inserm 970) a pratiqué en octobre 2014 une greffe de cellules cardiaques dérivées de cellules souches embryonnaires humaines, selon un procédé développé par des chercheurs de l’hôpital Saint-Louis (unité Inserm 1160). Dix semaines après, l’état de la patiente, une femme âgée de 68 ans atteinte d’insuffisance cardiaque sévère, s’était nettement amélioré, sans complication apparente.

Différenciation de cellules souches embryonnaires humaines en progéniteurs hépatiques. Les cellules (noyaux cellulaires en bleu) expriment la molécule d'adhésion Epcam (en rouge). © Inserm, T. Touboul

Différenciation de cellules souches embryonnaires humaines en progéniteurs hépatiques. Les cellules (noyaux cellulaires en bleu) expriment la molécule d'adhésion Epcam (en rouge).

Autre maladie ciblée par ce type d’approche : le diabète de type 1. Une autre société de biotechnologie américaine (ViaCyte) prépare un essai clinique se fondant sur l’utilisation de cellules de pancréas productrices d’insuline obtenues à partir de cellules souches embryonnaires. Les cellules à greffer sont encapsulées dans un disque sophistiqué : ce dispositif permet à l’insuline et au glucose de diffuser, mais protège le greffon d’une réaction immune de l’hôte. Les résultats précliniques sont encourageants. L’objectif est de restaurer la production d’insuline à long terme chez les patients.

 

Attention : aucun traitement de thérapie cellulaire n’est à ce jour autorisé en routine
Au Mexique, au Panama ou encore en Inde, des sociétés proposent des thérapies cellulaires pour traiter des maladies neurodégénératives, des leucémies ou encore l’arthrose, suscitant un espoir pour les patients. Attention ! Si les essais cliniques de thérapie cellulaire se multiplient et font leurs preuves dans certaines indications, ces approches thérapeutiques ne sont pas encore validées et n’offrent pas les garanties d’efficacité et de sécurité recommandées pour tout produit de santé par les autorités de santé.
Les interventions proposées à l’étranger ont un coût très important, pouvant atteindre plusieurs dizaines de milliers d’euros. Malgré la diffusion de témoignages enthousiastes de patients sur les sites internet de ces sociétés, la plus grande prudence est recommandée.

 

 

Pour aller plus loin

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A lire sur d’autres sites

Multimédia

  • Marc Peschanski, biologiste (Emission "Les Savanturiers", France Inter, février 2013)
  • Annelise Bennaceur-Griscelli - Les cellules souches. Extrait de la collection "Rêves de recherche, rêve de chercheurs", 2009-2010

 

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Annelise Bennaceur-Griscelli, directrice de l'unité Inserm 935 "Modèles de cellules souches malignes et thérapeutiques", Institut André Lwoff, Villejuif

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