Introduction
Les cellules pluripotentes embryonnaires (CPE) représentent un domaine de recherche fascinant et prometteur, situé à l'intersection de la biologie du développement, de la médecine régénérative et de l'éthique. Issues de l'embryon à un stade très précoce, ces cellules possèdent des propriétés uniques qui suscitent un grand intérêt scientifique et médical. Cet article explore en profondeur la définition des CPE, leurs applications potentielles, les enjeux éthiques associés à leur utilisation, ainsi que les alternatives existantes, telles que les cellules souches pluripotentes induites (IPS).
Définition et Caractéristiques des Cellules Pluripotentes Embryonnaires
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). Elles 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.
Au stade de blastocyste, (120 heures ou 5 jours), l’embryon est formé d’une couche externe trophoblastique entourant la cavité et d’une masse cellulaire interne (MCI) ; celle-ci donnera naissance à deux feuillets distincts : une masse de cellules formant l’épiblaste (Epi) recouverte par un épithélium d’endoderme primitif (Epr).
Pluripotence et Différenciation
Les cellules souches pluripotentes sont un type de cellules souches ayant la capacité de se différencier en pratiquement tous les types de cellules spécialisées présentes dans le corps humain. Ces cellules sont capables de se développer en cellules de tous les trois germes embryonnaires : l'ectoderme, le mésoderme et l'endoderme.
La pluripotence des CS se définit chez la souris par leur capacité, lorsqu’elles sont injectées dans un blastocyste, à développer un embryon chimérique. Si préalablement à l’injection de CS embryonnaires, une électrofusion provoque la transformation d’un blastomère à deux cellules en blastomère tétraploïde conduisant ainsi à la formation des annexes extra-embryonnaires, l’embryon obtenu dérive entièrement des CS (la même démonstration a été faite avec les iPS). Pour des raisons techniques et surtout éthiques les mêmes démonstrations sont impossibles avec des lignées de CS embryonnaires humaines et le critère de pluripotence retenu est leur capacité d’induire la formation de tératomes (formés de façon anarchique par les dérivés des trois tissus embryonnaires) lorsqu’elles sont injectées à des souris immunodéficientes. Au plan biologique, la pluripotence est donc la capacité des CS embryonnaires (et des iPS) à se diffé- rencier en n’importe quel phénotype cellulaire ; cet état de pluripotence dépend de l’expression de différents facteurs de transcription (OCT4, SOX2, NANOG, SALL4….), d’une conformation de la chromatine, « ouverte » et non « fermée » comme chez l’adulte, et permettant ainsi l’expression des gènes de la pluripotence, de facteurs épigénétiques (modifications biochimiques telles que l’acétylation ou la méthylation des histones, la méthylation des ADN….), mais l’ensemble de ces conditions biologiques est encore loin d’avoir été identifié. La suppression du bFGF du milieu de culture induit un programme de différenciation dont la finalité dépend de la nature des cytokines et facteurs de croissance apportés, et dont le bon déroulement nécessite le respect parfait de toutes les étapes du développement ontologique normal, ce qui explique sans doute les difficultés expérimentales à obtenir des cellules totalement différenciées en type adulte.
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Autor renouvellement et Immortalité
L’immortalité par auto-renouvellement illimité des CS embryonnaires (et des iPS ) offre la possibilité théorique de sources inépuisables de cellules animales ou humaines ; cependant les conditions biologiques et techniques de leur entretien et de leur différenciation ne sont pas encore entièrement maitrisées : les lignées dérivées d’embryons normaux présentent une instabilité génétique au cours des repiquages successifs, avec apparition de diverses anomalies chromosomiques (en particulier une duplication en 20q 11-21), ce qui impose une vérification régulière de leur statut génétique ; la culture de CS embryonnaires nécessite la présence d’un substratum de cellules nourricières (fibroblastes…) et de différentes cytokines dont le bFGF (« basic Fibroblast Growth Factor ») pour maintenir leurs capacités d’auto-renouvellement et de pluripotence. Pour résoudre des problèmes quantitatifs de production, de nouveaux procédés de culture en suspension (et non plus sur milieux solides) sont à l’étude….La culture de CS embryonnaires demande donc l’établissement et le respect de protocoles entièrement et rigoureusement standardisés.
Les cellules souches possèdent deux propriétés fondamentales: l'autorenouvellement et la différenciation.Une cellule souche est une cellule indifférenciée qui a la capacité, à chaque division cellulaire, de donner naissance à :Une cellule fille identique à elle-mêmeUne seconde cellule fille qui deviendra de plus en plus mature et fonctionnelle, on dit qu’elle est différenciée. Ainsi, les 2 propriétés définissant une cellule souche sont sa capacité d’auto-renouvellement et de différenciation.
Identification et Suivi
Afin de surveiller et d'évaluer le potentiel thérapeutique des cellules souches, de suivre leur différenciation et de mesurer l'efficacité des traitements, plusieurs outils sont utilisés à savoir: Marqueurs de surface cellulaire (les antigènes CD (Cluster de différenciation).
Applications Potentielles des Cellules Pluripotentes Embryonnaires
Les propriétés uniques des CPE ouvrent des perspectives considérables dans divers domaines de la recherche et de la médecine.
Compréhension du Développement et des Maladies
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.
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En différenciant les cellules souches pluripotentes en types cellulaires spécifiques, les chercheurs peuvent créer des modèles cellulaires de maladies pour étudier les mécanismes sous-jacents, tester des médicaments et développer de nouvelles thérapies. Les chercheurs peuvent cibler des gènes spécifiques dont la mutation est associée à la maladie en question. Ils peuvent alors utiliser des techniques de modification génétique, comme CRISPR-Cas9, pour créer des modèles cellulaires portant ces mutations.
Médecine Régénérative et Thérapie Cellulaire
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.
Les cellules souches pluripotentes peuvent être dirigées pour se différencier en cellules spécifiques nécessaires pour réparer ou remplacer les tissus endommagés, offrant ainsi un potentiel pour le traitement de maladies dégénératives et de blessures.
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.
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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. 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.
Limites et Précautions
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.
Enjeux Éthiques et Légaux
L'utilisation des CPE soulève d'importantes questions éthiques, principalement liées à la destruction d'embryons humains.
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’Église 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 instrumentalisé à des fins de recherche et ne peut donc être conçu dans cette seule finalité:un embryon doit obligatoirement être conçu dans le cadre d’un projet parental.
Cadre Législatif en France
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 consentementécrit du couple concerné. Ce consentement doit être confirmé à l’issue d’un délai de réflexion de trois moiset peut être révoqué sans motif par les deux membres du couple ou le membre survivant tant que les recherches n’ont pas débuté.
En France, l’étude ou l’utilisation des CS embryonnaires pluripotentes ne peut se faire que dans un cadre réglementaire dérogatoire aux lois de bioéthique de 2004 établi pour cinq ans et relevant de l’Agence de la biomédecine.
Alternatives: Les Cellules Souches Pluripotentes Induites (IPS)
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 adultes différenciées dans 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.
Avantages des Cellules IPS
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). 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.
Si la recherche sur les cellules-souches embryonnaires soulève bien des débats éthiques, les cellules iPS, pour « induced pluripotent stem cells » (cellules pluripotentes induites), se posent comme une alternative. Il ne s’agit plus de prélever des cellules dans un embryon, mais de faire revenir des cellules adultes à cet état pluripotent. Cette découverte, mise au point à la fin des années 2000, a été récompensée d’un prix Nobel de médecine en 2012. Concrètement, on prélève une cellule adulte sur un individu, souvent de la peau, puis on la reprogramme en y injectant quatre gènes. Ces gènes permettent de réactiver l’immaturité de la cellule, qui redevient indifférenciée et donc pluripotente. « Ces cellules adultes sont aussi efficaces et d’un emploi beaucoup plus large que les cellules embryonnaires », expliquait Alain Privat, ancien directeur d’unité de l’Inserm et proche de la Fondation Jérôme-Lejeune à La Croix en mars dernier. L’avantage de cette technique pour d’éventuelles thérapies cellulaires est qu’elle minimise les risques de rejet si la cellule adulte est prélevée sur la même personne qu’elle doit ensuite soigner. Mais cette technique a toutefois un coût important, d’environ 15 000 €, bien plus cher que les cellules-souches embryonnaires. Sans compter que pour l’instant les chercheurs sont divisés sur les impacts de long terme sur l’ADN altéré pour la reprogrammation.
Différences et Limites des Cellules IPS
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).
En outre, les capacités de différenciation en un tissu donné ne sont ni constantes ni identiques d’une lignée à l’autre, et cela pour des raisons encore inconnues. Les iPS exposent également à un risque important de transformation maligne due à la présence de l’oncogène c-myc utilisé pour la reprogrammation (développement d’un carcinome dans 30 % des cas).
Complémentarité des Cellules ES et IPS
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 monogéniques (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.
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