Cellules souches pluripotentes induites (IPS)

Sous titre

Un outil formidable pour la recherche... qui va révolutionner les nouvelles thérapies

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. Ces cellules sont déjà largement utilisées pour modéliser de nombreuses pathologies humaines ou pour tester l’efficacité et la toxicité de molécules potentiellement thérapeutiques. Elles ouvrent également la voie au développement de stratégies innovantes en médecine régénérative et en immunothérapie des cancers.

  • Obtenues par reprogrammation génétique de cellules adultes différenciées
  • Des outils pour : étudier les maladies génétiques, mettre au point des traitements
  • Une source de cellules pour la médecine régénérative
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    20 min

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Dossier réalisé en collaboration avec Annelise Bennaceur Griscelli (unité 935 Inserm/Université Paris-Sud, Institut André Lwoff, Villejuif), coordinatrice d'Ingestem, réseau français d'innovations thérapeutiques fondées sur les cellules souches pluripotentes induites (iPS) et l'ingénierie des tissus humains.

Loupe comprendre Comprendre les cellules IPS

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 dans tous les types de cellules qui composent un organisme adulte, comme une cellule souche embryonnaire. Ces cellules sont appelées iPS pour cellules souches pluripotentes induites ("induced pluripotent stem cells").

Pouvant être produites en quantité illimitée, à très grande échelle, pour une large population, le potentiel de ces cellules est énorme. Ces cellules sont déjà largement utilisées pour modéliser de nombreuses pathologies et tester l’efficacité de molécules potentiellement thérapeutiques. Des essais cliniques fondés sur le recours à ces cellules ont en outre débuté dans plusieurs pays, pour différentes maladies (voir plus loin).

Pr Yamanaka prix nobel de médecine 2012 cellules souches iPS au japon – reportage – 4 min 40 - 2012

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 issues des tissus adultes et de celles issues du sang du cordon ombilical.

Les cellules souches embryonnaires sont présentes lors des premiers stades du développement de l’embryon. Elles sont immortelles et se cultivent à l’infini. Toutefois leur obtention passe par la destruction d’un embryon surnuméraire, obtenu dans le cadre d’une procréation médicalement assistée : cela soulève un problème éthique. En France, l'utilisation de ces cellules en recherche est soumise à la loi de bioéthique, permettant la réalisation de travaux à visée thérapeutique pour des maladies graves incurables sans traitements, après autorisation de l’Agence de la Biomédecine.

Les cellules souches adultes sont par exemple présentes 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 : cellules sanguines, fibroblastes de la peau, cellules épithéliales ou encore cellules mésenchymateuses adultes. Ces cellules iPS peuvent être obtenues à partir de donneurs sains ou de patients. Dans le second cas, l'objectif est de reproduire fidèlement la maladie du donneur, pour en comprendre les mécanismes et tester des molécules thérapeutiques.

Les cellules IPS en pratique

La reprogrammation de cellules différenciées en cellules iPS consiste à les modifier génétiquement pour réactiver des gènes et des signaux embryonnaires de dédifférenciation et de prolifération illimitée, caractéristiques d’une cellule souche pluripotente. Réactiver la pluripotence éteint les gènes de différenciation exprimés par la cellule au stade adulte.

La "réexpression" de quatre gènes, surexprimés dans les cellules souches embryonnaires, est suffisante et nécessaire pour reprogrammer une cellule adulte : Oct3/4, Sox2, c-Myc, et Klf4. Le gène c-Myc est notamment connu pour ses capacités à faire proliférer les cellules. Concrètement, la technique utilisée consiste à faire pénétrer des copies de ces quatre gènes dans la cellule adulte, afin qu’ils s’y expriment.

La reprogrammation cellulaire : les principes – MOOC – 5 min – vidéo extraite du MOOC Ouvrez les portes du laboratoire : cellules et cellules souches (2015)

Au début, les chercheurs utilisaient des vecteurs rétro- ou lentiviraux qui avaient l’inconvénient majeur de s’intégrer dans le génome de la cellule hôte. Ils entraînaient un risque de mutation et d’expression prolongée de ces gènes, ainsi qu'un risque de transformation tumorale. Ces problèmes sont désormais résolus grâce à l’utilisation de nouveaux vecteurs non intégratifs : des plasmides (épisomes) ou le virus de Sendaï. Ils pénètrent dans la cellule sans s’intégrer, expriment de façon transitoire les gènes embryonnaires et se diluent au cours des divisions cellulaires. Ces deux approches offrent une bonne sécurité pour la production de cellules iPS utilisables en clinique.

L'étape de reprogrammation proprement dite prend environ deux semaines et présente un très faible rendement : seulement 0,5 % à 1% des cellules traitées redeviennent pluripotentes. Il existe donc une résistance et des freins naturels à cette reprogrammation. Les cellules ayant reçu les gènes de reprogrammation sont placées dans un milieu de culture favorisant le maintien de la pluripotence (le même que celui utilisé pour cultiver les cellules souches embryonnaires). Celles qui sont redevenues pluripotentes se multiplient, formant des clones (groupe de cellules génétiquement identiques). Elles sont ensuite amplifiées et testées sur de nombreux critères : l’absence d’anomalies génétiques et chromosomiques, ainsi que la présence des différents marqueurs de pluripotence sont entre autres vérifiées. Au final, obtenir une lignée iPS entièrement qualifiée à partir de cellules adultes prend environ six mois.  

Toutes les cellules adultes qui prolifèrent peuvent être utilisées pour générer des cellules iPS. Les cellules sanguines sont les plus utilisées car elles sont particulièrement faciles d’accès, par une prise de sang. Mais d’autres cellules ont été facilement reprogrammées : fibroblastes de la peau, kératinocytes (autres cellules cutanées), cellules mésenchymateuses adipocytaires, cellules épithéliales ou encore cellules amniotiques.

Cellules iPS versus cellules souches embryonnaires

Les cellules iPS ont les mêmes atouts que les cellules souches embryonnaires humaines : elles prolifèrent à l’infini et peuvent se différencier en tous types de cellules de l’organisme. Elles ont aussi quelques atouts supplémentaires : elles ne nécessitent pas la destruction d’un embryon surnuméraire et peuvent provenir de donneurs sélectionnés pour leur patrimoine génétique. Cette possibilité permet la mise en culture de cellules de patients, notamment pour modéliser leurs pathologies et les étudier.

Il est par ailleurs possible de constituer des banques de cellules iPS de grade clinique, provenant de donneurs sains sélectionnés sur leur profil immunologique (en fonction de leur groupe HLA) pour correspondre à la diversité́ de la population. Ces banques, dites "allogéniques" permettraient de disposer rapidement de cellules iPS compatibles avec le système immunitaire d’un receveur, pour éviter un rejet de greffe. L’Inserm est impliqué dans la construction d’une de ces banques, dans le cadre de l'alliance mondiale Global Alliance for induced Pluripotent Stem Cell Therapies (GAIT), au travers de l'équipe ESTeam (unité Inserm 935) qui coordonne l’infrastructure nationale de recherche Ingestem.

Mais il existe toutefois plusieurs bémols à l’utilisation des cellules iPS en clinique, nécessitant des contrôles et des qualifications réalisées selon des standards internationaux établis dans le cadre du consortium GAIT. Il faut en effet vérifier que les cellules iPS, puis les cellules différenciées obtenues à partir des cellules iPS, ne sont pas modifiées sur les plans fonctionnels, immunologiques et tumoral. En effet la reprogrammation peut induire des mutations ou modifications génétiques pouvant altérer le fonctionnement des cellules dérivées des iPS. En outre, la reprogrammation n’est pas nécessairement complète : les cellules iPS peuvent présenter des anomalies acquises au cours de leur vie antérieure, notamment des signaux épigénétiques. C’est pourquoi les cellules souches embryonnaires restent à ce jour le gold standard de la pluripotence et que les travaux de recherche sur la qualité et la sécurité de cellules iPS doivent se poursuivre.

Cellules et réparation - interview – 2 min 53 – vidéo extraite de la série POM Bio à croquer (2013)

L’obtention des différents types cellulaires

L’étape de redifférenciation des cellules souches iPS en cellules différenciées est guidée in vitro par l’utilisation de facteurs de croissance adaptés. Il est désormais possible d’obtenir quasiment tous les types cellulaires de façon de plus moins aisée : cellules cardiaques, cellules endothéliales, cellules immunitaires T et NK, cellules dendritiques, plaquettes, globules rouges, muscle lisse et strié, hépatocytes, cellules rétiniennes, neurones, cellules épithéliales, cellules pancréatiques...

Quant aux cellules germinales, à ce jour, aucun gamète mature n’a été obtenu in vitro à partir de cellules iPS humaines. Cette production est théoriquement possible et a été́ réalisée chez la souris. Il n’a pas été́ possible d’obtenir une différenciation complète in vitro, mais la transplantation de ces cellules immatures dans les testicules ou les ovaires des animaux a permis d’obtenir des gamètes mâles ou femelles matures qui ont donné naissance à de jeunes animaux normaux et fertiles. En supposant que les difficultés techniques existantes soient résolues, l’intérêt de ce procédé serait important en recherche fondamentale (étude de la gamétogenèse et de la fécondance des gamètes). A plus long terme, l’utilisation d’iPS différenciées en cellules germinales à des fins thérapeutiques pourrait ouvrir de nouvelles perspectives à des patients infertiles. Cet horizon est toutefois lointain. L’obtention de gamètes issus de cellules reprogrammées peut faire craindre des risques pour la santé de l’enfant à naître.

L’infrastructure de recherche nationale Ingestem (coordonnée par l’unité Inserm 935) développe des protocoles de reprogrammation et de différenciation de tous ces lignages cellulaires, ainsi que la génération d’organoïdes, pour des applications thérapeutiques, en collaboration avec des laboratoires de recherche publics et des partenaires privés. Un organe aussi complexe que le rein, par exemple, a pu être reconstitué à partir d’une simple prise de sang réalisée sur un patient porteur d’une mutation associée à un risque de cancer. Cette prouesse a permis d'étudier de nouveaux biomarqueurs et de tester de nouvelles molécules thérapeutiques dans une reproduction miniature de son propre organe.

Génération de neurones à partir des cellules souches pluripotentes induites. © Inserm/Afsaneh Gaillard

Pictogramme microscope Les enjeux de l’utilisation des cellules IPS

Des modèles de maladies génétiques à foison

Les cellules iPS sont d’ores et déjà utilisées pour de la modélisation de nombreuses pathologies humaines : après recueil du consentement éclairé d'un patient porteur d’une maladie génétique constitutionnelle (touchant toutes les cellules de l’organisme) ou somatique (limitée à un groupe de cellules comme dans le cancer), ses cellules sont reprogrammées en cellules iPS qualifiées, amplifiées et redifférenciées dans le type de cellules qui exprime la maladie. Les chercheurs disposent alors d’une source illimitée de cellules humaines malades pour étudier les mécanismes de la pathologie, tenter de corriger la mutation responsable par des techniques d’édition du génome, tester des molécules thérapeutiques ou encore évaluer la toxicité d’un produit.

Plusieurs lignées de cellules iPS générées par Ingestem ont montré leur intérêt pour travailler sur des maladies rares : sclérose latérale amyotrophique, diabète juvénile de type 1, maladie de Huntington, trisomie 21, immunodéficience sévère combinée, syndrome de Lesch-Nyhan, maladie de Gaucher, syndrome de Shwachman-Bodian-Diamond ou encore dystrophies musculaires de Duchenne et de Becker. Des lignées de cellules iPS permettent également de modéliser des maladies fréquentes comme les cancers (tumeurs solides et leucémies), la maladie de parkinson, la maladie d’Alzheimer ou des pathologies cardiovasculaires.

Vers la production de cellules thérapeutiques

L’utilisation thérapeutique potentielle majeure des cellules souches iPS est la thérapie cellulaire ou médecine régénérative. Des thérapies cellulaires utilisant les cellules souches hématopoïétiques adultes, cellules mésenchymateuses autologues ou allogéniques, les cellules souches du sang de cordon ombilical sont réalisées en pratique clinique depuis de nombreuses années pour différentes pathologies, mais les 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 pourraient permettre de contourner cette difficulté et apporter des solutions aux problèmes ne pouvant pas être résolus par l’utilisation des cellules souches adultes. Compte tenu de leurs capacités à se différencier en de nombreux types cellulaires, il est en effet envisageable de développer des protocoles de réparation tissulaire dans des pathologies diverses. Toutefois, les cellules iPS ne pourront pas être utilisées telles qu’elles : 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 prédifférenciées in vitro en cellules matures avant d’être injectées chez le malade, au niveau du site lésé et selon les pathologies à réparer. Des supports de type patch ou des molécules chaperonnes seront probablement nécessaires pour favoriser leur implantation dans le tissu lésé.

Néanmoins, leur utilisation en clinique pose encore des problèmes : en particulier les cellules produites à partir de cellules souches pluripotentes conservent parfois un phénotype partiellement fœtal et, de fait, ne se comportent pas exactement comme des cellules matures. En outre, un tissu est le plus souvent composé d’une diversité cellulaire : prétendre régénérer un organe avec un seul type cellulaire parait illusoire. Enfin, la reprogrammation de cellules somatiques en iPS peut entrainer des mutations ou l’apparition d’aberrations chromosomiques au cours de la culture des lignées cellulaires. Ces anomalies dépendent du protocole de reprogrammation, des conditions de culture et du type de cellules à partir desquelles ont été́ dérivées les iPS.

Des questions éthiques

L’utilisation des cellules iPS soulève de nouvelles questions éthiques, notamment sur le consentement du donneur. Certaines applications à venir ne sont pas encore connues, mais on sait déjà que les chercheurs ont la possibilité de modifier génétiquement les cellules dérivées des iPS, de séquencer leur génome à haut débit… Il n’est pas non plus exclu de pouvoir obtenir des gamètes à partir de cellules iPS humaines. Ainsi, faut-il limiter le consentement du donneur dans le temps (ce consentement est aujourd’hui illimité, avec possibilité de rétractation) ? Limiter l’utilisation de ses cellules ? Informer le donneur si une maladie est découverte dans le cadre de l’utilisation de ses cellules ?

Il parait également envisageable de corriger une mutation dans des cellules iPS issues de personnes atteintes de maladies génétiques avant leur différenciation, puis de leur réadministrer. Il y aurait alors association de l’utilisation des cellules iPS et de la thérapie génique. Plusieurs types de maladies monogéniques sont potentiellement candidates à ce type d’approche : maladies hématologiques, déficits immunitaires ou encore déficits enzymatiques.

Les premiers essais cliniques après 10 ans de recherche sur les cellules iPS

Le premier essai clinique utilisant des cellules iPS a été réalisé au Japon par Shinya Yamanaka, le "père" des cellules iPS pour les patients atteints de dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). La première patiente a été́ traitée fin 2014. Le protocole reposait sur la création de cellules iPS à partir des fibroblastes de la patiente, leur différenciation en cellules épithéliales pigmentaires rétiniennes cultivées en feuillet, puis l'implantation de ces feuillets au niveau de la rétine. Cet essai a été́ rapidement interrompu suite à la détection de mutations génétiques dans les cellules iPS obtenues pour un deuxième patient.

Compte tenu des coûts et du temps de production des cellules souches iPS, l’approche la plus réaliste est désormais la génération de cellules différenciées à la demande, à partir d’une banque d’iPS allogéniques (provenant de donneurs volontaires) compatible sur le plan immunitaire avec la majorité de la population. Cette approche est en cours de développement au niveau mondial et l’Inserm y adhère au sein du consortium international GAIT.

Quelques essais de stade précoce ont lieu à travers le monde, essentiellement avec des cellules iPS allogéniques, notamment aux Etats-Unis, au Japon et en France. Une dizaine sont officiellement sur les rails. Les indications ciblées sont :

  • la maladie de Parkinson, avec la transplantation de nouvelles cellules dopaminergiques issues d’une banque de cellules iPS allogéniques
  • la prévention de la réaction du greffon contre l’hôte, en induisant une tolérance à l’aide de cellules mésenchymateuses provenant d’une banque de cellules iPS allogéniques
  • l’insuffisance cardiaque, avec l’utilisation de cellules iPS allogéniques différenciées en cardiomyocytes fonctionnels pouvant produire des facteurs de régénération tissulaire
  • la cancérologie, avec l'utilisation de cellules immunitaires génétiquement modifiées obtenues d’une banque de cellules iPS allogéniques

En France, deux programmes de recherche, dans de domaine de l’insuffisance cardiaque et en immunothérapie, pourraient prochainement déboucher sur la mise en place d'essais de phase I/II chez l’humain.

La constitution du réseau Européen RESTORE, impliquant l’Inserm, va permettre l’accélération des futurs essais cliniques avec les cellules iPS. La France est en position de force dans ce domaine grâce aux avancées technologiques en bioingéniérie et en bioproduction standardisées des cellules iPS et de leurs produits dérivés, fruits du travail conduit par l’infrastructure Ingestem.