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Cellules souches et médecine régénérative

Les cellules souches

Quelle est la différence entre cellule, tissu et organe ?

La cellule est l’unité élémentaire des êtres vivants. Sa taille est de quelques centièmes de millimètre. Elle se compose d’un noyau entouré d’un cytoplasme. Le noyau rassemble la majorité de l’information génétique. La plupart des réactions biochimiques nécessaires à la vie se déroulent dans le cytoplasme. Un être humain est composé d’environ cent mille milliards de cellules.

Une cellule différenciée est une cellule capable de remplir une fonction précise (ex : les globules rouges transportent l’oxygène). Il existe environ deux cents types de cellules différenciées chez l’homme.
Un tissu est composé de cellules différenciées ayant une origine commune. Il remplit une fonction spécifique (ex : tissu musculaire). Il ne contient qu’un petit nombre de types de cellules.

Un organe est une partie du corps nettement délimitée qui exerce une fonction déterminée. Il est constitué de différents tissus.

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Organisation spatiale des différents tissus constituant un os. Hematopoietic stem cell : cellule souche hématopoïétique. A droite, la cellule souche hématopoïétique est nichée contre une cellule mésenchymateuse (Hematopoietic supportive stroma).

Les tissus et les organes ne sont pas des amas de cellules en vrac. Une organisation spatiale correcte est indispensable à leur fonctionnement. On parle de niche pour l’environnement immédiate d’une cellule (ex : la cellule souche hématopoïétique est nichée contre une cellule mésenchymateuse en bas à droite de la Figure 1) et de matrice (scaffold) pour un organe.

(Stem Cells : Scientific Progress and Future Research Directions. Department of Health and Human Services. Executive summary 2, p. 33,

Inside the Cell. National Institutes of Health.,

Agence de la biomédecine – Rapport d’information au Parlement et au Gouvernement – septembre 2013. p. 44, p. 49,

Le grand dictionnaire terminologique.)

Toutes les cellules d’un individu contiennent-elles la même information génétique ?

Toutes les cellules d’un individu sont issues d’une unique cellule (l’œuf, produit de la fécondation de l’ovule par le spermatozoïde) et ont la même information génétique qu’elle (le même génome).
La preuve est qu’on obtient un animal parfaitement normal en remplaçant le noyau d’un œuf par le noyau d’une cellule prise chez un adulte. Cette opération est appelée clonage, elle a été réussie la première fois au début des années 1960. Un exemple célèbre de clonage est la brebis Dolly en 1997.

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Le premier clonage réussi chez un animal : le remplacement du noyau d’un œuf par un noyau d’une cellule de l’intestin chez le Xenope (Sir John B. GURDON. The Egg and the Nucleus : A Battle for Supremacy. Nobel Lecture. p. 230).

Cependant, une partie seulement de l’information génétique est utilisée par chaque cellule à un moment donné. La fraction de l’information exprimée dépend du type cellulaire et de paramètres variés (ex : position de la cellule dans le corps).

Le clonage est utilisé principalement pour produire des animaux de laboratoire ayant un patrimoine génétique particulier. Il peut aussi être utilisé pour reproduire à l’identique des animaux d’élevage ayant des caractéristiques particulièrement intéressantes. La mise sur le marché d’aliments dérivant d’animaux clonés n’est pas autorisée actuellement.

(Sir John B. GURDON. The Egg and the Nucleus : A Battle for Supremacy. Nobel Lecture. ,

M. William LENSCH, Christine L. MUMMERY. From Stealing Fire to Cellular Reprogramming : A Scientific History Leading to the 2012 Nobel Prize. Stem Cell Reports, 1 (2013) 5–17.,

Clonage animal à des fins alimentaires. Ministère de l’agriculture.)

Quels sont les mécanismes qui déterminent le type cellulaire ?

Le type cellulaire est déterminé par étapes successives :

1. L’œuf donne un amas de cellules équivalentes, les cellules souches embryonnaires (la masse bleue dans le blastocyste Figure 3) ;
2. Les cellules souches s’organisent en trois couches dont le devenir sera différent, plus un petit paquet qui donnera les cellules germinales (les quatre flèches partant de la gastrula Figure 3) ;
3. Les tissus résultent d’une spécialisation ultérieure au sein de chaque couche (la bande du bas Figure 3).
Toutes ces étapes sont sous le contrôle de quelques centaines de gènes qui régulent l’expression d’une grande partie du génome.
Il est souvent possible d’augmenter le degré de spécialisation des cellules, c’est-à-dire de suivre les flèches dans la Figure 3. Il est en revanche difficile de dédifférencier les cellules, c’est-à-dire de remonter les flèches. C’est au point que le prix Nobel a été décerné aux chercheurs qui ont découvert le moyen de remonter jusqu’aux cellules souches embryonnaires.

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Figure 3. De l’œuf aux tissus, les grandes étapes de la différenciation cellulaire
(Stem Cells : Scientific Progress and Future Research Directions. Department of Health and Human Services.p. 2, [110]).

(Eric F. WIESCHAUS. From Molecular Patterns to Morphogenesis : The Lessons from Drosophila. Nobel Lecture.,

Johnson RAJASINGH. Reprogramming of Somatic Cells. Progress in Molecular Biology and Translational Science, 111 (2012) 51-82.,

Shinya YAMANAKA. The Winding Road to Pluripotency. Nobel Lecture.,

M. William LENSCH, Christine L. MUMMERY. From Stealing Fire to Cellular Reprogramming : A Scientific History Leading to the 2012 Nobel Prize. Stem Cell Reports, 1 (2013) 5–17.,

Mark HILL. UNSW Embryology. ISBN : 978 0 7334 2609 4 - UNSW CRICOS Provider Code No. 00098G.)

Les cellules se renouvellent-elles chez un adulte ?

La majorité des cent mille milliards de cellules d’un adulte ne se divise plus. Cependant, à chaque seconde, plus de vingt millions de cellules de notre organisme se divisent pour maintenir constant le nombre de cellules (remplacement des cellules disparaissant par vieillissement ou par lésion). Les cellules qui se divisent sont appelées cellules souches.

Une cellule souche reste capable de se diviser tout au long de la vie et de donner naissance à tous les types cellulaires composant un tissu. La division d’une cellule souche produit une nouvelle cellule souche (cellule de « réserve ») et une cellule s’engageant dans un processus de différenciation qui la conduira à remplir une fonction précise. Cette dernière est appelée cellule progénitrice. Les cellules progénitrices se divisent pour donner des cellules spécialisées, mais elles ont perdu la capacité de se diviser indéfiniment (Figure 4).

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Figure 4. Différenciation des cellules sanguines (Stem Cells : Scientific Progress and Future Research Directions. Department of Health and Human Services. p. 33). Hematopoietic stem cell : cellule souche hématopoïétique.

Tous les êtres vivants pluricellulaires possèdent des cellules souches. Par exemple, ce sont elles qui permettent la régénération des membres chez les lézards.

(Stem Cells : Scientific Progress and Future Research Directions. Department of Health and Human Services. Executive summary 2-3, p. 33,

Hématopoïèse, cellules souches hématopoïétiques, facteurs de croissance. Laboratoire d’Hématologie Cellulaire du CHU d’Angers.,

Rapport annuel 2012 de l’Agence de la biomedicine. p. 86)

Toutes les cellules souches sont-elles équivalentes ?

Non. On distingue quatre catégories de cellules souches en fonction de la diversité des types cellulaires auxquels elles peuvent donner naissance :

• Les cellules souches unipotentes ne produisent qu’une seule sorte de cellules différenciées (exemple : cellules souches utilisées pour les greffes de peau).

• Les cellules souches multipotentes ne produisent qu’un nombre restreint de types cellulaires. Elles sont appelées aussi cellules souches adultes ou cellules souches somatiques. La cellule souche hématopoïétique de la Figure 4 est une cellule souche multipotente, elle produit les globules rouges, les différentes sortes de globules blancs et les plaquettes.

• Les cellules souches pluripotentes peuvent donner pratiquement tous les types cellulaires. Ces cellules sont aussi appelées cellules souches embryonnaires car on les trouve principalement dans des embryons de cinq à sept jours. La Figure 3 montre la diversité des tissus produits par les cellules pluripotentes.

• Les cellules souches totipotentes peuvent donner naissance à un individu complet. Elles sont, comme l’œuf, capables de produire tous les tissus d’un individu adulte ainsi que le placenta. Il s’agit de l’œuf fécondé et de chacune des huit premières cellules qui en dérivent.

([Stem Cells : Scientific Progress and Future Research Directions. Department of Health and Human Services.] Executive summary 2-3, [55])

Existe-t-il des similitudes entre cellules souches et cellules cancéreuses ?

Les cancers sont dus à des cellules souches particulières, les cellules souches cancéreuses. Tout comme les autres cellules souches, elles ont la capacité de se multiplier indéfiniment. Contrairement à la prolifération des cellules souches normales qui reste sous le contrôle des cellules environnantes et du reste de l’organisme, la prolifération des cellules souches cancéreuses échappe à ce contrôle.

Les cellules souches cancéreuses proviennent de la mutation de cellules normales. Elles produisent des cellules tumorales, ces dernières étant dépourvues de la capacité de se multiplier indéfiniment. Les métastases sont dues à la migration de cellules souches cancéreuses.

Il n’est pas exclu que certains cancers ne résultent pas du processus décrit ci-dessus.

( Regenerative Medicine. Department of Health and Human Services. pp. 89-94,

Cancer : Une maladie des cellules souche ? EuroStemCell.,

Yaser ATLASI, Leendert LOOIJENGA, Riccardo FODDE. Cancer Stem Cells, Pluripotency, and Cellular Heterogeneity : A WNTer Perspective. Current Topics in Developmental Biology, 107 (2014) 373-404.)

Où trouve-t-on des cellules souches multipotentes ?

On a trouvé des cellules souches multipotentes dans la plupart des tissus chez l’adulte, y compris dans le cerveau et la moelle épinière. Cependant, il est rarement possible d’en isoler assez pour qu’elles soient utilisables à des fins thérapeutiques.

Les cellules souches ne sont abondantes que dans deux cas : les cellules souches hématopoïétiques (Figure 1, Figure 4) et les cellules souches de la peau. Elles sont abondantes car le taux de renouvellement des cellules est très élevé. Les cellules souches hématopoïétiques se trouvent dans la moelle osseuse et le cordon ombilical.

Les cellules souches de la cornée (ou cellules limbiques) réparent les lésions de la cornée dues au clignement des yeux et l’exposition au milieu extérieur. Elles sont peu nombreuses mais cependant utilisables pour des greffes de cornée.

Les cellules souches mésenchymateuses sont à l’origine du tissu squelettique (graisse, cartilage, cellules osseuses). Elles sont présentes en faible quantité dans la moelle osseuse (stroma stem cell Figure 1).

(Stem Cells : Scientific Progress and Future Research Directions. Department of Health and Human Services.p. 23, pp. 37-38,

Regenerative Medicine. Department of Health and Human Services. pp. 22-23, p. 78, p. 86,

Cellules souches de la peau : où se trouvent-elles et que peuvent-elles faire ? EuroStemCell.,

Nicholas J. LEEPER, Arwen L. HUNTER, John P. COOKE. Stem Cell Therapy for Vascular Regeneration : Adult, Embryonic, and Induced Pluripotent Stem Cells. Circulation, 122 (2010) 517-526.,

Abhishek SOHNI, Catherine M. VERFAILLIE. Multipotent adult progenitor cells. Best Practice & Research Clinical Haematology, 24 (2011) 3–11,

Cellules souches sanguines : les pionnières de la recherche sur les cellules souches. EuroStemCell.,

L’œil et les cellules souches : vers le traitement de la cécité. EuroStemCell.,

Les cellules souches mésenchymateuses : les “autres” cellules souches de moelle osseuse. EuroStemCell.,

Cellules souches de cordon ombilical : applications actuelles et défis futurs.
EuroStemCell.

,

Agence de la biomédecine – Rapport d’information au Parlement et au Gouvernement – septembre 2013. pp. 49-50,

Sean M. CULLEN, Allison MAYLE, Lara ROSSI, Margaret A. GOODELL. Hematopoietic Stem Cell Development : An Epigenetic Journey. Current Topics in Developmental Biology, 107 (2014) 39-75.,

Ana Mafalda Baptista TADEU, Valerie HORSLEY. Epithelial Stem Cells in Adult Skin. Current Topics in Developmental Biology, 107 (2014) 109-131.)

Où trouve-t-on des cellules souches pluripotentes ?

Il existe dans l’embryon de cinq à sept jours un amas cellulaire constitué de cellules souches pluripotentes (inner cell mass, Figure 6). Elles sont capables de produire tous les tissus sauf le placenta. Elles ne peuvent donc plus produire un embryon viable.

Il existe encore des cellules souches pluripotentes chez l’embryon âgé de cinq à dix semaines. Elles peuvent être extraites des embryons issus d’une interruption volontaire de grossesse. Elles sont situées dans la zone qui donnera plus tard les testicules ou les ovaires. Elles sont appelées cellules germinales embryonnaires ou cellules germinales primordiales. Elles ont approximativement les mêmes propriétés que les cellules souches extraites de l’embryon de cinq à sept jours.

On trouve dans le liquide amniotique des cellules présentant de nombreuses similitudes avec les cellules souches pluripotentes.

(Stem Cells : Scientific Progress and Future Research Directions. Department of Health and Human Services. p. 11, pp. 18-19,

Regenerative Medicine. Department of Health and Human Services. pp. 79-85)

mardi 12 août 2014, par HUCHERY Mélissa