Chapter 8 Les cellules souches

Plan du cours Les cellules souches: généralités Les cellules souches neurales Les cellules souches et les cancers

Qu’est-ce qu’une cellule souche? Une cellule souche a la capacité unique de: s’auto-renouveler indéfiniment ou de manière prolongée produire différentes cellules spécialisées (différenciées)

Qu’entend-on par auto-renouvellement? Divisions asymétriques La division d’une cellule souche est asymétrique - les cellules filles ne sont pas identiques, et seule une des deux est identique à la cellule mère

Où trouve-t-on des cellules souches? Les cellules souches embryonnaires dérivent de la masse interne du blastocyste (embryon de 4-5 jours) Les cellules souches adultes dérivent de tissus adultes

Les cellules souches embryonnaires ou cellules ES Pluripotentes potentiel de produire tous les types cellulaires (plus de 200 différents types de cellules)

Les cellules souches adultes Multipotentes

Rôle des cellules souches? Les cellules souches EMBRYONNAIRES produisent des progéniteurs qui, à leur tour, se différentient en cellules spécialisées créant tissus et organes Les cellules souches ADULTES participent au renouvellement et à la réparation des tissus adultes

Plasticité innatendue des cellules souches adultes Le dogme voulait que chaque organe héberge les cellules souches spécialisées qui lui sont propres. Or selon les conditions de culture, ou dans des expériences de transplantations cellulaires, des cellules souches adultes peuvent se différencier en cellules d’un tissu dont elles ne proviennent pas

Plasticité innatendue des cellules souches adultes rescue lethally irradiated mice. Les cellules souches de la moelle osseuse peuvent se différencier en cellules nerveuses, du foie, du muscle cardiaque, du muscle squeletique…

Remise en question de la plasticité des cellules souches adultes Dans certains cas des chercheurs ont suspecté des phénomènes de fusion cellulaire qui pourraient être responsables d’une partie de ces observations de plasticité des cellules souches. Mais la fusion cellulaire est un évênement rare qui ne permet sans doute pas d’expliquer toutes les observations de “transdifférenciation”.

Environnement stable pour les cellules souches Concept de niches Environnement stable pour les cellules souches Les niches sont des ensembles de tissus et de matrices extracellulaires qui peuvent indéfiniment héberger des cellules souches et contrôler leur auto-renouvellement et leur production cellulaire in vivo.

Potentiel médical des cellules souches Les cellules souches pourraient un jour remplacer les cellules endommagées dans le corps. Médecine régénérative Specific Tissues can be grown from Stem cells under special conditions

Potentiel médical des cellules souches Aujourd’hui : lymphome, leucémie. Demain? Parkinson, maladies cardiaques, diabète…

Sources de cellules souches embryonnaires Embryons excédentaires provenant de cliniques de fécondation in vitro (FIV) Embryons créés à des fins de recherche par FIV Lignées de cellules souches embryonnaires existantes Transfert de noyau d’une cellule somatique Il est possible de produire des cellules souches embryonnaires à partir d’une cellule somatique adulte par transfert de noyau; le noyau d’une cellule adulte est ainsi fusionné avec un ovule dont on a retiré le noyau.

Transfert de noyau d’une cellule somatique Les clonages thérapeutiques et reproductifs commencent tous deux par un transfert de noyau d’une cellule somatique, mais le clonage reproductif permet au blastocyste de se transformer en un fœtus. Le clonage thérapeutique a pour but de récolter des cellules souches embryonnaires en vue de mener des recherches sur d’éventuels traitements  l’embryon sert à fabriquer des cellules souches embryonnaires. Le clonage reproductif a pour but de créer un nouvel organisme, identique à la cellule adulte donneuse  le blastocyste est implanté dans l’utérus.

En 1962 Les premières expériences de transplantation nucléaires Tadpole (frog larva) Intestinal cell Frog egg cell Nucleus UV Nucleus destroyed Transplantation of nucleus Eight-cell embryo Tadpole En 1962 Le clonage de têtards a montré que les noyaux de cellules animales différenciées gardaient tout leur potentiel génétique. Gurdon, 1962

La première expérience de transplantation nucléaire chez un mammifère Le 1er mammifère cloné s’appelle Dolly et a été produit en 1997

Débat éthique Les cellules souches embryonnaires pourraient sauver de nombreuses vies. Il faut effectuer des recherches sur les cellules souches embryonnaires.

Débat éthique (suite) Récolter des cellules souches embryonnaires à partir d’un embryon précoce le détruit.

Débat éthique (suite) « Le clonage thérapeutique mènera au clonage reproductif».

le clonage est interdit quel qu'il soit, reproductif ou thérapeutique Législation relative aux cellules souches embryonnaires  Les recherches sur les embryons humains et les cellules souches humaines sont-elles autorisées en France ?   La recherche sur les embryons humains fait l'objet d'une législation, qui varie suivant les pays. En France, la loi du 29 juillet 1994 permet uniquement les recherches sur les cellules de foetus obtenus à la suite d'une interruption volontaire de grossesse. le clonage est interdit quel qu'il soit, reproductif ou thérapeutique Le projet de loi relatif à la bioéthique du 20 juin 2001 a notamment pour objet d'autoriser les recherches sur l'embryon et les cellules souches embryonnaires sous certaines conditions : Les recherches ont une finalité médicale qui ne peut pas être atteinte avec la même efficacité par une autre méthode Les deux membres du couple à l'origine de l'embryon en ont fait explicitement don à la recherche Les protocoles expérimentaux ont été dûment autorisés par les ministres concernés après avis de l'agence de la procréation, de l'embryologie et de la génétique humaine.

Législation relative aux cellules souches embryonnaires

Différences entre cellules souches adultes et cellules souches embryonnaires Différenciation limitée : multipotent + plasticité Rares dans les tissus matures Difficiles à cultiver en culture Plus “éthiques” que les cellules souches embryonnaires Embryonnaires Différenciation illimitée: pluripotent Présentes en grand nombre Faciles à cultiver en culture

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Neurogenèse adulte? Dans certains tissus, la perte de cellules, naturelle ou après une blessure, est compensée par la prolifération et la différenciation de cellules souches. Un dogme en neurobiologie disait qu’étant donné que la perte de neurones dans le CNS, dus à des processus dégénératifs, ne sont pas remplacés, le CNS des mamifères ne possède pas de population de cellules souches. “We are born with a certain number of brain cells which decrease with age. Everything must die in the brain or spinal cord - nothing can regenerate.” Ramon y Cajal 1902

Neurogenèse adulte? Le premier indice suggérant l’existence de neurogenèse dans certaines régions du cerveau de mammifère date de 1965 (marquage en thymidine tritiée). C’est seulement en 1993, grâce à de nouvelles techniques de marquage des cellules en prolifération (retrovirus, BrdU), que ceci a clairement été montré. La première évidence de cellules capable de s’auto-renouveler et multipotentes dans le cerveau date de 1996.

Qu’est ce qu’une cellule souche neurale? Une cellule souche neurale a la capacité de s’auto-renouveler et de donner les trois types majeurs du CNS des mammifères: les neurones, les astrocytes et les oligodendrocytes

Où trouve-t-on des cellules souches neurales? Régions principales où de la neurogenèse a lieu pendant toute la vie adulte (en gris): Bulbe olfactif Hippocampe Régions qui contiennent les cellules souches (en noir): Zone subventriculaire Gyrus denté De la neurogenèse est à présent également trouvée dans le cervelet, le cortex… Galli et al., 2003

Les cellules souches de la zone subventriculaire Environ 30 000 nouveaux neuroblastes sont produits chaque jour qui migrent vers le bulbe olfactif Taupin et Gage, 2002; Galli et al, 2003

Quelle est l’origine des cellules souches neurales? “Reste” de cellules souches embryonnaires? Ependymal cells? Glie radiale? Astrocytes? 2003

Comportement ex vivo des cellules souches neurales Okano, 2002

Plasticité des cellules souches neurales en dehors du SNC innatendu Après injections intraveineuses, des cellules souches neurales adultes sont capables de donner des cellules hématopoïétiques. Science 1999

Potentiel de différenciation innatendu Après co-culture avec des myoblastes ou injection dans le muscle squeletique, des cellules souches neurales adultes sont capables de donner des cellules musculaires.

Régénération de neurones à partir des cellules souches endogènes après une attaque cérébrale Potentiel de régénération à partir des cellules souches neurales endogènes Mais 80% des nouveaux neurones meurent. Seuls environ 0,2% des neurones détruits sont remplacés. Stimuler la formation ou la survie des nouveaux neurones (FGF-2, EGF, brain-derived neurotrophic factor, cascase inhibitors)

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Cellules souches et cancer Figure 2 Signalling pathways that regulate self-renewal mechanisms during normal stem cell development and during transformation. Wnt (refs 25, 27; and T.R. et al ., submitted), Shh 19, 78, 79 and Notch pathways 17, 80, 81 have been shown to contribute to the self-renewal of stem cells and/or progenitors in a variety of organs, including the haematopoietic and nervous systems. When dysregulated, these pathways can contribute to oncogenesis. Mutations of these pathways have been associated with a number of human tumours, including colon carcinoma 37 and epidermal tumours 82 (Wnt), medulloblastoma 83 and basal cell carcinoma 84 (Shh), and T-cell leukaemias 85 (Notch). (Images courtesy of Eye of Science/SPL and R. Wechsler-Reya/M. Scott/Annual Reviews.)

Cellules souches et cancer Figure 1. Les traitements anti-cancéreux traditionnels (en haut) tuent rapidement les cellules tumorales en division (rouge) mais leurs effets sont souvent transitoires, suggérant la persistance de cellules souches cancéreuses (bleu), à l’origine de la récurrence tumorale. L’enjeu actuel (en bas) consiste à développer des outils thérapeutiques capables de cibler directement les cellules souches cancéreuses, afin d’obtenir des rémissions à plus long terme.

Risques de tératomes dans les greffes de cellules souches L’implantation de cellules ES de souris dans le cerveau de souris conduit à la formation de tératomes dans 20% des cas. Le risque est réduit si les cellules ont été préalablement différenciées in vitro. Rem Un tératome est un type de tumeur formée par des cellules germinales pluripotentes. Le mot découle d'un terme Grec signifiant tumeur monstre

Mais encore… Combien de différents types de cellules souches existe-t-il chez l’adulte? Quelle est la source des cellules souches adultes? Pourquoi les cellules souches restent-elles indifférenciées quand toutes les cellules autours d’elles se sont différenciées? Est-ce que les cellules souches adultent présentent normalement une certaine plasticité ou bien est ce qu’elles se trans-différencient uniquement quand les scientifiques les manipulent expérimentalement? Quels sont les signaux qui régulent la prolifération, la différenciation, la plasticité des cellules souches? http://stemcells.nih.gov/info/scireport/