Cellules souches  angio-hématopoïétiques (sang et vaisseaux) et cellules souches de l'épithélium respiratoire humain

Bruno Péault

Directeur de l'Unité INSERM 506 - Unité "Ontogenèse des cellules sanguines" - Hôpital Paul Brousse

    En amont des cellules souches hématopoïétiques existent vraisemblablement des progéniteurs aussi capables de former l'endothélium des vaisseaux sanguins. La mise en jeu de telles cellules souches angio-hématopoïétiques (parfois appelées hémangioblastes) lors du développement du système sanguin de l'embryon est admise, bien que l'existence au cours de l'ontogenèse normale de tels progéniteurs strictement restreints à ces deux lignages n'ait pas encore été formellement démontrée. Celle-ci est néanmoins très fortement suggérée par des caractéristiques anatomiques et moléculaires.

    Des arguments très récents mais en nombre croissant suggèrent aussi que des cellules déjà identifiables comme endothéliales, et que l'on peut isoler comme telles par tri automatisé, sont capables de produire en culture des cellules sanguines. On peut rapprocher la suggestion également très récente du potentiel myogénique de certaines cellules endothéliales embryonnaires pour émettre l'hypothèse que la paroi vasculaire contient des cellules souches multipotentes. D'une grande importance tant au plan fondamental que thérapeutique, cette notion d'hémangioblaste (ou d'endothélium hématopoïétique), qui depuis presque un siècle s'appliquait à des cellules souches restreintes aux stades initiaux du développement sanguin et vasculaire dans l'embryon, sera peut-être bientôt étendue à l'adulte. De telles cellules hémangioblastiques candidates présentes dans la circulation et la moelle osseuse de l'organisme différencié sont actuellement à l'étude. Il a par ailleurs été récemment montré, chez des patients souffrant de leucémie myéloïde chronique, que l'anomalie chromosomique caractéristique de la tumeur était aussi retrouvée dans une population quantitativement significative de cellules endothéliales, suggérant l'origine de la leucémie dans une cellule hémangioblastique ou endothéliale hématogène.

    Des cellules souches angio-hématopoïétiques pourraient représenter une nouvelle voie pour les thérapies cellulaire et génique de maladies vasculaires et sanguines. On n'est cependant qu'au tout début des recherches qui permettront de caractériser de telles cellules souches au plan moléculaire, leur sélection, et fonctionnel (tests en culture et in vivo chez l'animal) de déterminer :

- Leur distribution spatio-temporelle : dans quels tissus, à quels stades du développement embryonnaire, fœtal et éventuellement post-natal trouve-t-on ces cellules souches ?

- Les conditions de leur stimulation à se multiplier et/ou à se différencier en culture ;

- Leur réel potentiel de différenciation, leur éventuelle capacité à former d'autres dérivés mésodermiques, voire ceux d'autres feuillets embryonnaires ;

- Leur capacité d'autorenouvellement. La question ne se posait pas alors que l'hémangioblaste n'était considéré que comme une cellule souche éphémère construisant l'ébauche des systèmes vasculaire et sanguin à la fin du premier mois de la gestation humaine. Elle redeviendra fondamentale si l'on confirme que de telles cellules souches sont maintenues jusqu'au stade adulte ;

- Leur greffabilité par voie circulatoire ou intratissulaire.

    Il est à noter que le système expérimental des cellules ES cultivées in vitro est d'un intérêt particulier dans ce programme de recherche. En effet, c'est dans le modèle de " corps embryoïdes " dérivés en culture de cellules ES de souris qu'a été faite la démonstration la plus rigoureuse qu'une cellule unique pouvait donner simultanément une descendance de cellules hématopoïétiques et endothéliales vasculaires. Pour réaliser cette étude, la disponibilité des cellules ES humaines permettrait de déterminer les conditions expérimentales du développement hémangioblastique (facteurs de croissance ou inhibiteurs) et d'en démontrer les mécanismes moléculaires, par description directe puis par analyse expérimentale mettant en jeu le transfert de gènes, selon des méthodes bien établies chez l'animal.

   Les épithélia représentent plus de la moitié des tissus du corps humain et y assurent des fonctions diverses. Certains comme dans la peau sont fréquemment renouvelés (cycle complet de 2 mois environ) alors que les épithélia pancréatique et hépatique sont régénérés beaucoup plus lentement. L'épithélium qui tapisse les voies aériennes supérieures (trachée et bronches souches) et distales (bronchioles et alvéoles) est lui aussi renouvelé pendant toute la vie bien qu'à un rythme lent ; il est aussi efficacement réparé dans des pathologies qui l'endommagent telles que l'asthme et la mucoviscidose. Sur cette dernière ont longtemps porté les espoirs de thérapies géniques ; cependant, les résultats ont été décevants car l'on n'a pu viser que les cellules différenciées de l'épithélium, on peut penser que l'on aboutirait à une guérison si l'on pouvait modifier génétiquement ses cellules souches. Au plan pratique la réimplantation de cellules souches de l'épithélium respiratoire pose des problèmes peut-être insurmontables. On peut néanmoins envisager, connaissant la localisation de ces cellules souches, d'y diriger plus précisément le vecteur de transfert et même, si on les a précisément caractérisées, de réaliser un véritable " adressage moléculaire " du gène thérapeutique.

    Néanmoins, on ne sait néanmoins pas à l'heure actuelle identifier les cellules souches de l'épithélium respiratoire humain. La structure compacte des épithélia rend très difficile leur caractérisation sur le modèle, par exemple, de celle des cellules hématopoïétiques. Leur approche par cytométrie en flux, technique-clé de l'analyse et du tri cellulaire, pose des problèmes techniques importants : forte adhérence des cellules, marqueurs cytoplasmiques inutilisables. Surtout, l'absence de modèles fonctionnels a longtemps représenté un obstacle majeur à cette caractérisation des cellules souches épithéliales respiratoires, dont la culture in vitro bidimensionnelle ne présente qu'un intérêt limité car elle mène à une différenciation partielle, rapide et irréversible, offrant une copie très infidèle du développement normal de la muqueuse.

    Des progrès ont été réalisés récemment aux USA et en France avec le développement de modèles xénochimériques aboutissant au développement ex humano d'une muqueuse respiratoire humaine présentant un arrangement tridimensionnel normal. Le système de la trachée de rat " humanisée " et greffée dans une souris nude permet le développement d'un épithélium pseudostratifié et cilié humain. La transplantation d'ébauches respiratoires fœtales dans la souris SCID permet l'ontogenèse de voies respiratoires humaines intègres et fonctionnelles, incluant également les glandes sous-muqueuses et les structures lymphoïdes associées.

    Ayant également largement amélioré l'analyse et le tri des cellules épithéliales respiratoires par cytométrie en flux et en ayant caractérisé les différentes sous-populations à l'aide de molécules membranaires marqueurs, on est actuellement capable dans ces modèles xénochimériques de reconstituer à long terme un épithélium respiratoire humain normal et fonctionnel à partir d'une sous-population triée de cellules épithéliales basales immatures (une autre population incluant des cellules plus matures ne mène qu'à une reconstitution transitoire - moins de 3 mois - de l'épithélium). On ne connaît pas encore les conditions de culture qui permettraient de faire proliférer à l'état indifférencié ces cellules souches candidates, ni leurs éventuels autres potentiels de différenciation.

    Ces modèles de xénochimères se prêtent en outre particulièrement bien à l'étude du transfert de gènes dans les tissus respiratoires humains, et permettent aussi bien le développement des tissus mucoviscidosiques que des tissus normaux. Sachant enfin que les tissus respiratoires humains développés dans ces conditions sont fonctionnellement intacts on conçoit que l'on dispose maintenant du dispositif expérimental permettant de tester des thérapies génique et/ou cellulaire, via les cellules souches, d'une pathologie respiratoire telle que la mucoviscidose.