Types de cellules souches et leurs applications

Les cellules souches sont une réserve naturelle de l'organisme, reconstituant le stock de cellules spécialisées qui ont été épuisées ou endommagées. Nous avons tous en nous des cellules souches qui travaillent. En ce moment même, au sein de votre moelle osseuse, les cellules souches s’activent pour produire les 100.000 millions de nouvelles cellules sanguines dont vous avez  besoin chaque jour!

Nous devons fabriquer en continu de nouvelles cellules pour maintenir le bon fonctionnement de notre organisme. Certaines cellules spécialisées, comme les cellules sanguines et musculaires, sont incapables de faire des copies d'elles-mêmes en se divisant. Au lieu de cela, elles sont renouvelées à partir de populations de cellules souches.

Les cellules souches ont la capacité unique de produire à chaque fois qu’elles se divisent, des copies d'elles-mêmes (auto-renouvellement) mais également d'autres types de cellules plus spécialisées (différenciation). Les cellules souches sont donc essentielles pour la préservation des tissus tels que le sang, la peau et l'intestin qui se renouvellent en continu (remplacement cellulaire), ainsi que des muscles qui peuvent se développer suivant les besoins du corps et sont souvent endommagés au cours de l'effort physique.

Les cellules souches ne sont pas spécialisées. Contrairement à un globule rouge qui transporte l'oxygène dans le sang ou à une cellule musculaire qui travaille avec d'autres cellules pour effectuer un mouvement, une cellule souche n'a pas de propriétés physiologiques spécialisées.

Les cellules souches peuvent indéfiniment se diviser et produire des copies identiques d'elles-mêmes. Ce processus est appelé auto-renouvellement et continue tout au long de la vie de l'organisme. L'auto-renouvellement est la propriété qui définit les cellules souches. Normalement, les cellules spécialisées comme celles du sang et du muscle ne se répliquent pas, ce qui signifie qu’elles ne peuvent pas se remplacer elles-mêmes lorsqu'elles sont gravement endommagées par des maladies ou des blessures.

Les cellules souches peuvent également se diviser et produire des cellules plus spécialisées. Ce processus est appelé différenciation. Les cellules souches provenant de différents tissus ou de différents stades de développement varient selon le nombre et les types de cellules qu’elles peuvent produire. Selon la représentation classique, au cours du développement normal d'un organisme, le potentiel d'une cellule souche à produire n’importe quel type cellulaire de l’organisme diminue progressivement.

Les cellules souches peuvent être utilisées pour étudier le développement

Les cellules souches peuvent nous aider à comprendre comment un organisme complexe se développe à partir d’un ovule fécondé. En laboratoire, les scientifiques peuvent suivre les cellules souches au cours de leurs divisions et de leur spécialisation progressive en cellules de la peau, des os, du cerveau ou d'autres types cellulaires. L’identification des signaux et des mécanismes, qui déterminent le choix d'une cellule souche de continuer à s’auto-renouveler ou de se différencier en un type cellulaire spécialisé, nous aidera à comprendre les processus qui contrôlent le développement normal.

Certaines des maladies les plus graves, comme le cancer et les malformations congénitales, sont dues à des anomalies de la division cellulaire et de la différenciation. Une meilleure compréhension des contrôles génétiques et moléculaires de ces processus pourrait fournir des informations sur la façon dont ces maladies surviennent et permettrait de proposer de nouvelles stratégies thérapeutiques. C’est un objectif important de la recherche sur les cellules souches.

Les cellules souches ont la capacité de remplacer les cellules endommagées et de traiter des maladies

Cette propriété est déjà utilisée dans le traitement des brûlures graves et la restauration du système sanguin chez les patients atteints de leucémie et d'autres maladies du sang.

Les cellules souches pourraient également détenir la clé pour remplacer les cellules manquantes dans beaucoup d'autres maladies dévastatrices pour lesquelles il n'existe actuellement aucune guérison durable. Aujourd'hui, les dons de tissus et d'organes sont souvent utilisés pour remplacer des tissus endommagés, mais les besoins en tissus et organes de remplacement dépassent largement l'offre. Si l’ont pouvait inciter les cellules souches à se différencier en types cellulaires spécialisés, elles offriraient la possibilité d'une source renouvelable de cellules et de tissus de remplacement pour traiter des maladies y compris la maladie de Parkinson, les accidents vasculaires cérébraux, les maladies cardiaques et le diabète. Cette perspective est attrayante, mais les importantes difficultés techniques qui subsistent ne seront surmontées que par des années de recherche intensive.

Les cellules souches pourraient être utilisées pour étudier les maladies

Il est souvent difficile d'obtenir les cellules qui sont endommagées par une maladie et de les étudier en détail. Les cellules souches, soit porteuses d’un gène défectueux, soit manipulées pour contenir des gènes responsables de maladies, offrent une alternative viable. Les scientifiques pourraient utiliser les cellules souches pour modéliser en laboratoire les mécanismes d’une maladie et ainsi mieux comprendre quel est le problème.

Les cellules souches pourraient fournir un outil pour tester de nouveaux traitements

La sécurité de nouveaux médicaments pourrait être testée sur des cellules spécialisées, produites en grand nombre à partir de lignées de cellules souches - réduisant le recours à l’expérimentation animale. D'autres types de lignées cellulaires sont déjà utilisés à cet effet. Par exemple, des lignées de cellules cancéreuses sont utilisées pour sélectionner de potentiels médicaments anti-tumoraux.

Les cellules souches ne dérivent pas toutes d’un embryon précoce. En effet, les cellules souches sont présentes dans notre organisme pendant toute la durée de notre vie. Un moyen de distinguer ces cellules est de les diviser en trois catégories :

  1. Les cellules souches embryonnaires : elles sont cultivées en laboratoire à partir de cellules présentes dans l'embryon précoce

  2. Les cellules souches pluripotentes induites ou cellules souches « reprogrammées » : semblables aux cellules souches embryonnaires mais obtenues à partir de cellules spécialisées adultes à l'aide d'une technique de laboratoire découverte en 2006

  3. Les cellules souches tissulaires : présentes dans notre organisme tout au long de notre vie.

Vous pourrez lire des informations détaillées sur les propriétés de ces différents types de cellules souches et les recherches actuelles dans nos autres fiches-info.

Nous vous donnons ici un bref aperçu des différents types de cellules souches avant de comparer les progrès accomplis en matière de traitements pour les patients, et les difficultés ou obstacles encore à surmonter.

Les cellules souches embryonnaires (cellules ES) ont la capacité illimitée de générer les cellules spécialisées de l’organisme, une propriété qui ouvre de nombreuses pistes en matière de recherche sur les maladies et de mise au point de nouveaux traitements. Les cellules ES sont dites pluripotentes, ce qui signifie qu’elles peuvent se différencier en n’importe quel type cellulaire de l’organisme.

Les cellules ES humaines ont été cultivées en laboratoire pour la première fois en 1998. Ces cellules proviennent d’un stade du développement, auquel 200 à 300 cellules forment ce qu’on appelle un blastocyste - un embryon très précoce. Mais chaque expérience n’exige pas un nouveau blastocyste.

En octobre 2016, environ 300 lignées cellulaires différentes, provenant chacune d’un unique embryon, avaient été obtenues en Europe (source : registre des cellules souches pluripotentes humaines). Il faut que ces lignées cellulaires soient très bien caractérisées pour que les scientifiques puissent les utiliser dans des essais cliniques ou pour la mise au point de médicaments - une raison supplémentaire qui limite le nombre de lignées de cellules souches embryonnaires.

Parmi les enjeux actuels de la recherche sur les cellules ES figurent des considérations éthiques et la nécessité de s'assurer que la différenciation des cellules ES en cellules spécialisées telles que requises soit complète avant qu’elles ne soient transplantées chez les patients.

Une avancée relativement récente dans la recherche sur les cellules souches a été la découverte récompensée par le prix Nobel selon laquelle des cellules spécialisées adultes peuvent être “reprogrammées” en cellules dont le comportement est semblable à celui des cellules souches embryonnaires.

La découverte de ces cellules pluripotentes induites (cellules iPS) a aussi suscité l’espoir qu’il serait possible de produire des cellules à partir de la propre peau (ou d’autres tissus) d’un patient pour traiter leur maladie en évitant le risque de rejet immunitaire. Cela permet aussi la création de banques de cellules iPS, qui fonctionnerait pratiquement comme les banques de sang, dans lesquelles on pourra trouver un donneur compatible pour des patients.

Cependant, l’utilisation des cellules iPS en thérapie cellulaire reste théorique pour le moment. La technologie est très récente et le processus de reprogrammation n'est pas encore bien compris. Les scientifiques doivent trouver des moyens de produire des cellules iPS de manière sûre et plus efficace.

Il faut également démontrer que les cellules se différencient complètement et de façon reproductible dans les types de cellules spécialisées requis pour répondre aux normes prescrites pour une application clinique.

De nombreux tissus du corps humain sont entretenus et réparés tout au long de la vie par des cellules souches. Ces cellules souches tissulaires sont très différentes des cellules souches embryonnaires.

Les cellules souches tissulaires ne sont pas pluripotentes comme les cellules ES, mais multipotentes. Cela signifie qu’elles ne peuvent générer qu’un nombre limité de types cellulaires spécialisés qui sont spécifiques à leur organe d’origine; les cellules souches neurales, par exemple, ne peuvent se différencier qu’en cellules spécialisées du cerveau, tandis que les cellules souches sanguines ne peuvent former que des cellules spécialisées du système sanguin.

Les cellules souches sont des outils importants pour la recherche sur les maladies et offrent un potentiel thérapeutique considérable.

Certaines sources de cellules souches adultes sont actuellement utilisées en thérapie malgré leurs limites. Les premiers essais cliniques utilisant des cellules souches embryonnaires viennent de se terminer, mais des études plus approfondies sont nécessaires avant que toute thérapie pour un plus grand nombre de patients soit approuvée.

Dans l'intervalle, les cellules souches pluripotentes induites sont déjà très utiles en recherche, mais il reste encore beaucoup à faire avant de pouvoir envisager leur utilisation thérapeutique.

On observe aussi cela pour les essais cliniques utilisant soit les cellules ES soit les cellules iPS : Tandis que les cellules ES sont utilisées dans plusieurs essais cliniques pour traiter des maladies, les cellules iPS n’ont, jusqu’à présent, été utilisées que dans une seule étude pour traiter la Dégénérescence Maculaire liée à l’Âge (DMLA), actuellement en suspens. Dans tous les autres essais cliniques, la dérivation de cellules iPS à partir de cellules de patients sert plutôt, soit à modéliser une maladie ou tester un médicament, soit pour mieux comprendre la biologie fondamentale de ce type de cellule.

Une autre voie actuelle de recherche est la transdifférenciation - conversion directe d'un type cellulaire spécialisé en un autre. Toutes ces différentes approches sont importantes si elles permettent de concrétiser le potentiel thérapeutique des cellules souches, notamment pour traiter de nombreuses maladies invalidantes.

La version originale de ce document a été élaborée par Claire Cox et revue par Austin Smith, avec l’apport expert de Paolo Bianco, Ian Chambers, Allen Eaves, Tariq Enver et Thomas Graf. Elle a été documentée et mise à jour par Sabine Gogolok et à nouveau revue par Phil Rossall, Directeur de recherche (Knowledge Management), Age, Royaume-Uni, et Chargé de recherche, Université d’Edinburgh (Knowledge Exchange).

Image principale © iStock/Les Cunliffe. Autres images: Sally Lowell, Sophie Morgani, Luke Boulter et Andrew Jarjour, MRC Centre for Regenerative Medicine, Université d’Edinburgh; Cameron Duguid.


Mis à jour par: Jan Barfoot