«La puissance ne consiste pas à frapper fort ou souvent, mais à frapper juste.» Honoré de Balzac, 1799-1850, romancier et dramaturge Le pouvoir insoupçonné des cellules souches n'est pas le fruit du hasard mais découle bel et bien d'une succession de nombreux progrès scientifiques réalisés dans le passé. Sur le plan historique, la découverte des cellules souches remonte à la période qui a directement suivi la Seconde Guerre mondiale. Les scientifiques qui se penchaient alors sur les effets des radiations ont pu observer qu'une greffe de moelle provenant d'un animal sain permettait de sauver un autre animal irradié à dose létale. Ce n'est qu'au cours des années 60 que les chercheurs ont véritablement pu identifier les acteurs de ce phénomène : des cellules rares et très particulières, les cellules souches hématopoïétiques, qui ont la capacité de produire tous les types, ou lignées, de cellules sanguines. L'objectif de la présente contribution est essentiellement de décrire les cellules souches, leur rôle dans l'organisme, leur énorme potentiel et la manière dont elles constituent le système naturel de régénération du corps humain, et d'indiquer comment nous pouvons soutenir leurs efforts. Une réparation «pièce par pièce» Il s'agit du remplacement et de la réparation, pièce par pièce, des éléments défectueux ou usés de la «machine humaine» est un rêve de la médecine datant de plusieurs siècles. Ainsi, les premières greffes d'organes qui remontent à une cinquantaine d'années ont commencé de réaliser ce rêve. Ensuite, l'amélioration des méthodes chirurgicales, l'apparition de nouveaux médicaments immunosuppresseurs et le développement des recherches sur les cellules souches ont depuis révolutionné la médecine. Une médecine qui pourra «changer et réparer» les organes et tissus «pièce par pièce». Du rêve à la réalité. En effet, la médecine réparatrice et régénérative a pour objectif de remplacer les tissus humains endommagés. Il s'agit d'une méthode qui a pour principe le prélèvement et la purification des cellules souches, de les faire se multiplier au laboratoire tout en maintenant leur capacité à générer toute une variété de tissus (multi- potentialité) pour, ensuite, les injecter dans l'organisme afin de leur faire fabriquer, directement, les tissus nécessaires à la réparation d'un organe endommagé par la maladie. Aussi, il est possible d'orienter, en culture au laboratoire, leur différenciation vers le tissu à traiter, avant de les injecter chez le malade. Ces succès découlent des recherches et des récentes découvertes sur les cellules souches Les perspectives d'application concernent le traitement de certains cancers, du diabète, des maladies neuro-dégénératives (maladie de Parkinson, maladie d'Alzheimer, chorée d'Huntigton), des maladies cardiovasculaires, des greffes de visage, de bras, d'utérus, des effets secondaires de la radiothérapie... La disponibilité des cellules souches est assez large car elles existent à tous les stades du développement depuis l'œuf fécondé jusqu'aux cellules souches adultes. A noter que les cellules souches embryonnaires, parce qu'elles constituent une source illimitée de cellules souches, semblent être l'avenir de la médecine régénératrice. Cependant, parce qu'elles sont issues de l'embryon, elles sont au centre d'un débat éthique mondial. Par contre, les cellules souches adultes ne soulèvent pas de problèmes éthiques si bien qu'elles sont déjà au stade de l'expérimentation clinique. Leur quantité est certes infime, mais ces cellules souches adultes sont facilement prélevées à partir de trois tissus en particulier la moelle osseuse, le tissu adipeux (graisse) et le muscle. Même si le nombre de cellules souches adultes est faible, il peut être augmenté au laboratoire par des techniques de cultures cellulaires. L'exemple le plus spectaculaire est celui de la moelle osseuse, utilisée depuis plus de quarante ans pour le traitement de la leucémie. Aussi, la médecine régénérative est en train de vivre un moment révolutionnaire en particulier grâce, d'une part, aux cellules souches mésenchymateuses qui sont utilisées comme moyen thérapeutique au même titre qu'un médicament (absence de rejet, un seul donneur permettrait de traiter plusieurs receveurs dans de nombreuses pathologies et, d'autre part, à la reprogrammation (génétique) des cellules adultes différenciées qui permet d'obtenir des cellules souches aux propriétés analogues à celles des cellules souches embryonnaires (sources illimitées de cellules à plusieurs potentialités). La médecine régénérative représente une révolution thérapeutique prometteuse qui devrait se développer largement au cours des prochaines années en permettant de régénérer nos organes sans les changer ou en les changeant. Grâce à elle, il est désormais envisageable de régénérer les tissus et organes lésés par une maladie ou un accident (traumatisme, brûlures graves...), les tissus génétiquement déficients (myopathie,...), ou simplement altérés par le vieillissement. Certes, elle est utilisée depuis plus de quarante ans pour le traitement de la leucémie mais elle doit son essor actuel aux récentes découvertes des recherches sur les cellules souches. Ces cellules, en effet, sont capables de produire n'importe quel type de cellules différenciées et pourront être d'un grand secours pour le traitement de maladies comme la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson ou le diabète. Ces «cellules-médicaments» constituent une thérapeutique de l'avenir, elles sont également au centre des bouleversements bioéthiques Le terme de «cellule souche» désigne une cellule jeune qui, dans un environnement tissulaire approprié (appelé niche), est capable de se multiplier (capacité de prolifération) et de produire des cellules spécialisées. La cellule souche elle-même ne possède aucune spécialisation, elle est indifférenciée. La niche, quant à elle, est constituée de cellules spécialisées, de matrice extracellulaire, de molécules d'adhésion et de facteurs de croissance en contact étroit avec les cellules souches. La niche assure un environnement dans lequel chaque cellule souche se divise. Lors de la division de la cellule souche en deux, l'une des cellules filles reste à demeure pour participer au maintien constant de leur nombre, l'autre cellule fille s'engage dans une voie de différenciation spécifique d'un tissu ou d'un organe (épiderme, os, muscle, foie, poumon...). Caractéristiques et potentialités des cellules souches Les cellules souches peuvent être classées en fonction de leurs propriétés. Les cellules «totipotentes» (capables de se différencier en tous les types de cellules qui composent un organisme adulte) sont celles qui dérivent d'embryons très précoces. Les cellules de ce type permettent le développement complet d'un individu. Les cellules souches embryonnaires (cellules ES pour «embyonic stem cell»), issues d'un embryon de quelques jours, sont «pluripotentes» (capables de se différencier en plusieurs types de cellules qui composent un organisme adulte) car capables de donner naissance à plusieurs types cellulaires présents dans l'organisme. Les cellules «multipotentes» (capables de se différencier en certains types de cellules qui composent un organisme adulte) donnent naissance à plusieurs types cellulaires, comme par exemple les cellules souches myéloïdes de la moelle osseuse qui sont à l'origine des cellules sanguines (globules rouges, monocytes, granulocytes...). Ce sont des cellules souches fœtales et adultes. Les cellules «unipotentes» (capables de se différencier en un seul type de cellules qui composent un organisme adulte) donnent naissance à un type cellulaire unique, comme les kératinocytes qui sont à l'origine des cellules de l'épiderme. Les différentes sources de cellules souches Les cellules souches peuvent être classées selon leur origine : 1) les cellules souches embryonnaires ; 2) les cellules souches fœtales ; 3) les cellules souches du sang du cordon ombilical ; 4) les cellules souches pluripotentes induites et, 5) les cellules souches des tissus adultes. Les cellules souches embryonnaires, ou cellules ES, semblent avoir, au moins théoriquement, des applications illimitées pour la régénération d'organes. Deux méthodes permettent d'obtenir des cellules souches embryonnaires. Dans la première, quelques cellules sont prélevées du blastocyste (stade entre les 5e et 7e jour de la vie embryonnaire) d'un embryon. Les cellules ES isolées n'ont pas la possibilité de donner un embryon à elles seules. En revanche, elles peuvent participer à sa formation. Elles peuvent être multipliées in vitro dans le laboratoire indéfiniment, tout en gardant leur pluripotence. La première lignée de cellules ES humaines (hES) a été dérivée par l'équipe de James Thomson en 1998 de l'Université du Wisconsin (Etats-Unis). La seconde méthode est appelée clonage thérapeutique ou «transfert nucléaire de cellules somatiques». Elle a été mise au point par Megan Munsie, en 2000, en Australie. Elle consiste à insérer le noyau d'une cellule somatique différenciée du donneur dans un ovocyte receveur énucléé (noyau enlevé). Cette cellule se développe jusqu'au stade blastocyste à partir duquel on isole des cellules souches embryonnaires (ES). L'intérêt, dans ce cas, est que les cellules ES obtenues sont génétiquement identiques à celles du donneur et sont, par conséquent, épargnées par le système immunitaire, évitant ainsi les problèmes de rejet. Cependant, ces recherches chez l'animal ont que montré seulement 1% à 3% des noyaux somatiques ainsi transférés conduisent à une lignée de cellules ES. Le clonage thérapeutique a été utilisé pour la première fois par Tiziano Barberi en 2003 aux Etats-Unis, dans un modèle de la maladie de Parkinson chez la souris. Les animaux ont été traités avec succès grâce à la transplantation de cellules souches embryonnaires ES dérivées à partir de blastocystes obtenus par transfert de noyau de cellules somatiques (à partir de cellules de la peau de l'animal). La découverte des cellules ES humaines est une grande avancée en perspectives thérapeutiques. Cependant, leur utilisation en clinique se heurte à plusieurs obstacles. D'abord, les conditions actuelles de culture ont recours à des cellules nourricières («feeder») et à des milieux conditionnés issus d'espèces animales, qu'il faut remplacer par des milieux de culture synthétiques. Aussi, les cellules ES, au pouvoir de division illimité, présentent un risque potentiel de formation de tumeurs, qui n'existe plus si toutes les cellules réinjectées se différencient. Le risque dans ce cas est le rejet, car différenciées, elles sont reconnues comme étrangères par le receveur. La solution, dans ce cas, demeure le clonage thérapeutique. Mais l'obstacle majeur est éthique. Il réside dans l'idée d'utiliser des embryons comme «pièces détachées» pour réparer les humains. Quant aux cellules souches fœtales, elles sont prélevées chez des fœtus issus d'une interruption thérapeutique ou volontaire de grossesse. Les isoler d'un fœtus pose des problèmes éthiques évidents. Cependant, elles ont permis des progrès décisifs. La greffe des cellules souches issues du foie fœtal chez les enfants atteints de déficits immunitaires sévères (bébés-bulle) par Jean-Louis Touraine dans les années 1980 à Lyon (France) a ouvert la voie à d'autres utilisations thérapeutiques. Par exemple, dans des cas de maladies neurodégénératives (maladie de Parkinson, chorée de Huntington) irréversibles chez l'adulte, des greffes de neurones fœtaux et de cellules souches fœtales ont été réalisées par les équipes de Freeman, Reubinoff, Reed et Péchanski dans les années 2000 aux Etats-Unis et en France, pour remplacer dans ces maladies neurodégénératives. Ainsi, dans le cas de la maladie de Parkinson, vingt-cinq interventions portant sur les deux hémisphères cérébraux ont été pratiquées chez treize malades parkinsoniens. Une amélioration des symptômes, de 30 à 40% par rapport à l'état antérieur, a été observée dans la majorité des cas. Quant à la chorée de Huntington (maladie appelée également la «danse de Saint Guy», d'origine génétique aboutissant à la démence), cinq patients ont fait l'objet d'implantations bilatérales de cellules souches d'origine fœtale. Les cellules greffées survivent jusqu'à dix ans après leur transplantation, sans signe de lésion dégénérative du greffon chez l'homme, indiquant une bonne tolérance du greffon fœtal par le système immunitaire du receveur. La transplantation cellulaire directement dans le système nerveux central constitue un cas particulier et suscite d'énormes espoirs dans cette maladie. Depuis récemment, il est possible d'obtenir des cellules souches provenant du sang du cordon ombilical des nouveau-nés. Elles peuvent être congelées dans des banques de cellules souches qui permettent, au niveau mondial, de disposer de cellules hématopoïétiques compatibles pour greffer les patients. Elles sont également un enjeu commercial, car plusieurs firmes proposent aux parents de les stocker pour permettre aux enfants d'avoir recours à leurs propres cellules souches adultes, en cas de grave maladie car le problème de la compatibilité tissulaire ne se pose pas (autogreffe). Ces cellules possèdent une multipotentialité plus élevée que les cellules adultes. Cependant, le nombre limité de cellules souches présentes dans le sang du cordon ombilical restreint leur application aux enfants ou nécessite leur multiplication dans le laboratoire. Les cellules souches du sang de cordon ombilical ont permis, depuis 1989, plus de 7 000 transplantations dans le monde entier. Quant aux cellules souches pluripotentes induites (appelées cellules iPS cells pour «inductive pluripotent stem cells»), découvertes récemment, constituent probablement une alternative aux autres sources de cellules souches. Elles constituent une avancée majeure dans la recherche des cellules souches car elles permettent d'avoir des cellules souches pluripotentes sans avoir recours à des embryons. La découverte des cellules iPS est issue des connaissances accumulées sur les cellules ES. En effet, les gènes responsables de la pluripotentialité des cellules ES sont maintenant connus. En introduisant certains de ces gènes dans des cellules somatiques adultes différenciées, il est possible de les reprogrammer en cellules pluripotentes. Les cellules iPS sont pluripotentes comme les cellules ES. Elles ont été produites pour la première fois en 2006 à partir de fibroblastes (cellules de la peau) de souris, au Japon par Yamanaka, 2006). Elles sont obtenues en insérant dans leur noyau quatre gènes (appelés Oct-3/4, SOX2, Klf4 et c-Myc ou Lin28) qui ne s'expriment normalement qu'au stade embryonnaire et dont l'expression devient alors constitutive. Après trois à quatre semaines, un petit nombre de cellules sont considérées comme des cellules pluripotentes, identifiées par la présence d'un marqueur spécifique (appelé Nanog), un critère majeur de la pluripotentialité. Comme les cellules ES, elles ne peuvent à elles seules former un embryon. Les avantages qu'elles présentent sont de ne pas poser de problème éthique majeur, puisqu'elles ne sont pas issues d'embryons et de pouvoir produire des cellules pluripotentes à partir des cellules déjà différenciées. Une des limitations de leur usage en thérapeutique est le transfert aléatoire des gènes viraux utilisés dans le transfert dans le génome des cellules. Cette insertion peut induire des mutations aboutissant à leur immortalisation (risque tumoral). Et enfin les cellules souches adultes sont celles dont l'obtention est le plus difficile et elles sont pourtant utilisées en clinique. Elles présentent comme premier avantage de ne poser aucun problème d'éthique, puisque dans le cas des autogreffes, ce sont les propres cellules souches du patient qui sont extraites, pour lui être ensuite injectées. Elles sont pluripotentes et peuvent produire des cellules de morphologie et de fonction très différentes, généralement groupées au sein d'un même organe ou tissu. Les cellules du sang et de la peau, aisément accessibles, sont déjà utilisées en thérapeutique. Dans la pratique Selon les sites accessibles des différentes sources de cellules souches hématopoïétiques (moelle osseuse, foie fœtal, sang périphérique, sang de cordon ombilical des nouveau-nés), le mode opératoire de leur obtention est, brièvement, décrit comme suit. La moelle osseuse : le prélèvement a lieu sous anesthésie générale au niveau des os du bassin (crête iliaque supérieure). Il dure environ un peu plus d'une heure. On prélève une quantité de cellules suffisante pour une récupération normale de la moelle du receveur après greffe. La quantité nécessaire est de l'ordre de 10 à 20 millilitres par kilogramme du poids du receveur. Les principaux inconvénients sont ceux liés à l'anesthésie et les douleurs au site de ponction. Le foie fœtal : le foie de fœtus, issus d'interruption de grossesse ne dépassant pas quatorze semaines de gestation, est prélevé chirurgicalement. Il est dilacéré et les cellules souches en sont extraites et purifiées (centrifugation, lavages, tri cellulaire). La viabilité des cellules vérifiée ainsi que les examens bactériologiques et virologiques, les cellules souches sont perfusées au receveur. Une des particularités des cellules souches du sang de cordon est qu'elles ne sont pas tout à fait immunocompétentes. Cela signifie qu'elles sont relativement immatures sur le plan immunologique et que la greffe peut être envisagée dans des situations où donneur et receveur ne sont pas totalement compatibles au niveau de leur système HLA (groupes tissulaires de compatibilité), sans pour autant aggraver les risques de complications immunologiques (maladie ou réaction du greffon contre l'hôte). Le sang de cordon ombilical : le sang des nouveau-nés contient, de manière tout à fait naturelle, une assez grande quantité de cellules souches hématopoïétiques. Or, une partie du sang du nouveau-né (celle qui se situe dans le cordon ombilical) ne lui sert plus dès la naissance. Ce sang ombilical peut donc être prélevé juste après la naissance, sans nuire au bébé, et servir de greffon de cellules souches hématopoïétiques même si le volume de sang disponible est faible (80 à 200 millilitres). Comme pour les cellules souches issues du foie fœtal, les cellules souches du sang de cordon ne sont pas tout à fait immunocompétentes et peuvent, ainsi, être greffées sans tenir compte de la parfaite compatibilité entre le donneur et le receveur. Le sang périphérique : comme le sang périphérique n'est pas très riche en cellules souches, il est nécessaire d'administrer au donneur, avant d'effectuer le prélèvement, un médicament appelé facteur de croissance (G-CSF ou Granulocyte Colony Stimulating Factor). Ce traitement permet de stimuler (et de mobiliser) temporairement la production de cellules souches qui, de la moelle osseuse, passent alors dans la circulation sanguine. Ce traitement provoque généralement des douleurs osseuses passagères, liées à la stimulation médullaire. Les cellules souches circulantes sont ensuite extraites du sang par cytaphérèse (au moyen d'un appareil séparateur de cellules fonctionnant sur le principe que toutes les cellules n'ont pas la même densité et pourront donc être séparées par centrifugation : on parvient ainsi à trier les globules rouges, les globules blancs et les plaquettes, et les cellules souches se trouvent parmi les globules blancs). En résumé, comme c'est le cas pour de nombreuses découvertes scientifiques, une percée significative se produit souvent après la mise au point d'un instrument permettant de jeter un regard neuf sur notre environnement. Avec un lot de grandes nouvelles en perspective. La première grande nouvelle est que les cellules souches, quelle qu'en soit la source, ont la capacité de se transformer en d'autres types de cellules. La deuxième grande nouvelle est que non seulement elles le peuvent mais elles le font, de manière tout à fait naturelle, tous les jours de notre vie. K. S. * Professeur des universités, directeur de recherches, service d'immunologie des transplantations, CHU de Lyon, France.
