Les thérapies cellulaires et la rétine

Ce n’est que depuis une ving­taine d’années que l’on a démon­tré avec cer­ti­tude l’existence, chez l’Homme, de cer­taines zones du Sys­tème Ner­veux Cen­tral (SNC) capables de renou­ve­ler en per­ma­nence leurs neu­rones. Ces obser­va­tions ont été le point de départ de mul­tiples tra­vaux dont l’objectif prin­ci­pal était de com­prendre les méca­nismes de cette neu­ro­ge­nèse afin d’en tirer pro­fit pour rem­pla­cer les neu­rones dégé­né­rés et/ou patho­lo­giques. Ces études ont été menées sur l’ensemble du SNC qui inclue la rétine. En effet, la rétine loca­li­sée au fond de l’œil, par­tage la même ori­gine embryon­naire que le cer­veau. Comme lui, elle contient des neu­rones et des cel­lules gliales (Fig.1).

 

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Figure 1 : A- Sché­ma d’une coupe d’œilhumain (d’après webvision.med.utah.edu )sur lequel est repré­sen­té l’emplacement de ses prin­ci­pales com­po­santes : pro­cès ciliaires, iris, cris­tal­lin, pupille, humeur aqueuse, cor­née, humeur vitrée, sclère (blanc de l’œil), cho­roïde et rétine.

 

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En B, repré­sen­ta­tion sché­ma­tique d’une coupe de rétine repé­rée par le rec­tangle blanc sur le sché­ma A (Image modi­fiée de Hel­ga Kolb, 2003). La sti­mu­la­tion visuelle va entrer dans la rétine jusqu’à l’épithélium pig­men­taire, elle sera trans­for­mée en mes­sage élec­trique (pho­to­trans­duc­tion) dans les pho­to­ré­cep­teurs (cônes et bâton­nets). Ce mes­sage élec­trique, modu­lé par l’action des cel­lules hori­zon­tales (H) et des cel­lules amacrines(Am), sera trans­por­té à tra­vers les cel­lules bipo­laires vers les cel­lules gan­glion­naires. Ce sont les pro­lon­ge­ments de ces cel­lules qui for­me­ront le nerf optique et qui enver­ront le mes­sage élec­trique vers les centres visuels du cer­veau.

À l’inverse de ce que l’on a mon­tré chez cer­tains Ver­té­brés non mam­ma­liens, la preuve d’une régé­né­res­cence conti­nue des neu­rones réti­niens n’a jamais été appor­tée chez l’Homme. Cepen­dant, il n’est pas rare d’observer des cel­lules réac­tives lors de patho­lo­gies neu­ro­dé­gé­né­ra­tives. Ces cel­lules contiennent de la Nes­tine, une pro­téine que l’on trouve géné­ra­le­ment dans les cel­lules en mitose. Notre labo­ra­toire s’efforce actuel­le­ment de pré­ci­ser la nature exacte ain­si que les moda­li­tés fonc­tion­nelles de ces cel­lules afin de déter­mi­ner un pos­sible poten­tiel endo­gène de répa­ra­tion dans la rétine adulte (Vala­ma­lesh et al., 2013).

Un cer­tain nombre d’arguments sug­gèrent que ce sont les cel­lules gliales de Mul­ler qui se dédif­fé­ren­cie­raient pour for­mer des cel­lules souches endo­gènes à l’origine de nou­veaux neu­rones. Tou­te­fois, aucune preuve for­melle de la fonc­tion­na­li­té de ces nou­velles cel­lules n’a pu être appor­tée. Il est fort pro­bable que l’environnement adulte dans lequel se trouvent ces nou­velles cel­lules souches n’est pas adap­té à leur crois­sance. Le tra­vail que nous avons entre­pris porte donc sur l’étude des dif­fé­rents fac­teurs envi­ron­ne­men­taux sus­cep­tibles d’intervenir dans la matu­ra­tion fonc­tion­nelle des cel­lules souches endo­gènes.

Les tra­vaux expé­ri­men­taux visant au déve­lop­pe­ment des thé­ra­pies cel­lu­laires sont de plus en plus nom­breux. Ils font prin­ci­pa­le­ment appel :

• à l’utilisation de cel­lules souches pro­ve­nant de don­neurs
• à l’utilisation de cel­lules trans­for­mées – les cel­lules plu­ri­po­tentes induites
• à des sti­mu­la­tions élec­triques favo­ri­sant la neu­ro­ge­nese.

I. Les cellules souches :

a) Qu’est-ce qu’une cel­lule souche ?

Une cel­lule souche est une cel­lule non dif­fé­ren­ciée, qui, après dif­fé­ren­cia­tion, peut être à l’origine de cel­lules spé­cia­li­sées. Elles sont pré­sentes chez l’embryon et dans cer­tains organes ou tis­sus adultes. On dis­tingue :
 — les cel­lules souches toti­po­tentes  qui sont à l’origine de tous les types cel­lu­laires et donc d’un orga­nisme entier.
 — les cel­lules souches plu­ri­po­tentes qui sont être à l’origine de dif­fé­rents types cel­lu­laires condui­sant à la for­ma­tion de tous les tis­sus d’un orga­nisme. Tou­te­fois, elles ne peuvent pas pro­duire un orga­nisme entier.
 — les cel­lules souches mul­ti­po­tentes qui sont à l’origine d’un nombre res­treint de cel­lules dif­fé­ren­ciées.
 — les cel­lules souches uni­po­tentes qui ne peuvent don­ner qu’une seule sorte de cel­lule (elles peuvent cepen­dant, comme toute cel­lule souche, s’auto-renouveler)
En thé­ra­pie cel­lu­laire, il est pos­sible d’utiliser des cel­lules souches pro­ve­nant soit d’un embryon, soit d’un orga­nisme adulte. Chez l’Humain, les cel­lules souches embryon­naires sont des cel­lules plu­ri­po­tentes pré­le­vées chez un embryon quelques jours après la fécon­da­tion. Les cel­lules souches adultes pro­viennent de tis­sus capables de se renou­ve­ler comme la moelle osseuse (à l’origine des cel­lules san­guines), l’épiderme ou encore le tis­su adi­peux. Ce sont des cel­lules mul­ti­po­tentes que l’on trouve en quan­ti­té limi­tée et qui ne pro­duisent que cer­tains types de cel­lules en fonc­tion de leur tis­su d’origine

a) Avantages/Inconvénients :

Pour les cel­lules souches embryon­naires,
• Elles sont douées d’une grande plas­ti­ci­té qui per­met d’obtenir le type de cel­lule dont on a besoin
• Elles sont vir­tuel­le­ment « immor­telles » en culture
Mais
• Il peut y avoir des rejets lorsqu’elles sont insé­rées dans un orga­nisme
• On note éga­le­ment un risque impor­tant de fabri­ca­tion de tumeurs car chez l’embryon les méca­nismes de contrôle quant à leur dif­fé­ren­cia­tion ne sont pas les mêmes que dans un orga­nisme adulte
• L’utilisation de cel­lules souches embryon­naires est très régle­men­tée en France car elle requiert la des­truc­tion d’embryons humains, ce qui pose un pro­blème éthique
Pour les cel­lules souches adultes,
• Ils semblent que leur plas­ti­ci­té soit beau­coup plus grande que ce que l’on pen­sait aupa­ra­vant. Ain­si une cel­lule souche de moelle osseuse adulte peut contri­buer non seule­ment à la for­ma­tion de moelle et de sang mais aus­si à la for­ma­tion de cel­lules de foie, de pou­mon, de tube diges­tif, de peau, de cœur et de muscle.
• Elles peuvent pro­ve­nir d’un même indi­vi­du, donc il n’y a pas de rejet
• Elles ne seraient pas tumo­ri­gènes
Mais
• Leur durée de vie est plus limi­tée (nombre de géné­ra­tions cel­lu­laires plus res­treint).
• Leur quan­ti­té est limi­tée.
• Elles sont moins flexibles que les cel­lules souches embryon­naires donc plus dif­fi­ciles à repro­gram­mer pour for­mer d’autres tis­sus.

 

a) Uti­li­sa­tion des cel­lules souches en opthal­mo­lo­gie, quelques exemples :

La cor­née : Le cli­gne­ment des yeux et l’exposition au milieu exté­rieur peut pro­vo­quer des lésions chro­niques de cer­taines cel­lules ain­si que l’opacité de la cor­née. En géné­ral, les cel­lules endom­ma­gées sont rem­pla­cées par de nou­velles cel­lules for­mées à par­tir de cel­lules souches loca­li­sées à la péri­phé­rie de la cor­née, les cel­lules lim­biques. Si ces cel­lules ne sont plus dis­po­nibles à la suite d’une bles­sure ou d’une mala­die, les lésions ne sont plus répa­rables et cela se tra­duit par une perte de vision signi­fi­ca­tive. Il est désor­mais pos­sible de gref­fer des petits mor­ceaux du limbe de l’autre œil et de réta­blir la trans­pa­rence de la cor­née.

La rétine : L’équipe de Schwartz et al., (2012) vient de tes­ter la pos­si­bi­li­té de trans­plan­ter des cel­lules souches embryon­naires déri­vées de l’épithélium pig­men­taire dans la rétine de patients ayant déve­lop­pé cer­taines macu­lo­pa­thies (la mala­die de Star­gardt et la dégé­né­res­cence macu­laire liée à l’âge dans sa forme sèche). Ces cher­cheurs ont mon­tré que 4 mois après la trans­plan­ta­tion, il n’y avait aucun signe de pro­li­fé­ra­tion cel­lu­laire ou de rejet. Ce temps est cepen­dant trop court pour que l’on puisse par­ler de réus­site totale.

Une récente étude (Naka­no et al., 2012) démontre qu’il est désor­mais pos­sible, à par­tir de cel­lules souches embryon­naires humaines mises dans un milieu de culture, de fabri­quer une cupule optique conte­nant des pho­to­ré­cep­teurs – la cupule optique est la struc­ture éma­nant du cer­veau à l’origine de la rétine. Cette décou­verte est por­teuse de nom­breux espoirs quant à la répa­ra­tion réti­nienne.

I. Les cellules transformées – Les cellules pluripotentes induites (IPSc) :

a) Qu’est-ce qu’une cel­lule plu­ri­po­tente induite ?
Il s’agit d’une cel­lule qui va être géné­ti­que­ment repro­gram­mée pour reve­nir à un état embryon­naire pré­coce (Fig.2)

 

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Figure 2 : Sché­ma repré­sen­tant les prin­ci­pales étapes de la repro­gram­ma­tion cel­lu­laire

 

En 2012, le prix Nobel de Méde­cine a été attri­bué à deux cher­cheurs : le bri­tan­nique John B. Gur­don et le japo­nais Shi­nya Yama­na­ka. Ils ont décou­vert que des cel­lules matures pou­vaient être repro­gram­mées géné­ti­que­ment pour deve­nir plu­ri­po­tentes. Ces cel­lules sont appe­lées IPSc (pour « indu­ced plu­ri­potent stem cells » = cel­lules plu­ri­po­tentes induites).

La repro­gram­ma­tion de cel­lules dif­fé­ren­ciées en cel­lules IPS consiste donc à intro­duire dans une cel­lule mature, cer­tains gènes (comme Oct3/4, Sox2, c-Myc, et Klf) afin de réac­ti­ver les signaux d’immaturité et de pro­li­fé­ra­tion carac­té­ris­tiques d’une cel­lule plu­ri­po­tente. L’intégration des gènes a d’abord été réa­li­sée grâce à des vec­teurs viraux qui s’intégraient dans le génome de la cel­lule hôte mais ces vec­teurs pou­vaient entrai­ner un risque de muta­tion. On uti­lise donc désor­mais des vec­teurs non inté­gra­tifs comme des plas­mides qui, en plus, finissent par se dés­in­té­grer.

Depuis 2007, des cen­taines de lignées d’IPSc ont été obte­nues à par­tir de presque tous les types de cel­lules adultes capables de se mul­ti­plier. Les fibro­blastes cuta­nés sont les cel­lules les plus uti­li­sées car elles sont faciles d’accès mais des essais concluants ont eu lieu avec bien d’autres types de cel­lules comme par exemple : les kéra­ti­no­cytes (autres cel­lules de la peau), les adi­po­cytes (cel­lules spé­cia­li­sées dans le sto­ckage de la graisse), ou les cel­lules héma­to­poïé­tiques (cel­lules du sang).

a) Avantages/Inconvénients

- Comme les cel­lules souches, les IPSc pro­li­fèrent et peuvent se dif­fé­ren­cier dans tous les types cel­lu­laires d’un orga­nisme.
 — Elles peuvent être pré­le­vées par simple biop­sie chez l’adulte, donc il n’y a aucun pro­blème éthique.
 — Les cel­lules peuvent être pré­le­vées chez un indi­vi­du et gref­fées après repro­gram­ma­tion chez le même indi­vi­du, donc pas de phé­no­mène de rejet.
 — Elles peuvent être uti­li­sées sans risque pour tes­ter de nou­veaux médi­ca­ments

Mais

• Il n’est pas impos­sible que la repro­gram­ma­tion induise quelques muta­tions et/ou modi­fi­ca­tions géné­tiques pour alté­rer le fonc­tion­ne­ment des cel­lules.
• Une pro­li­fé­ra­tion anar­chique des cel­lules repro­gram­mées (risque tumo­ral) après leur greffe n’est pas à exclure

a) Uti­li­sa­tion des IPSc en oph­tal­mo­lo­gie, quelques exemples

Des expé­ri­men­ta­tions concluantes ont été menées préa­la­ble­ment chez des ani­maux. Ain­si, de nou­veaux pho­to­ré­cep­teurs fabri­qués à par­tir de cel­lules pré­le­vées sur la queue d’une sou­ris atteinte d’une mala­die réti­nienne géné­tique, ont pu être réim­plan­tés dans la rétine de ces ani­maux. De ce fait, le fonc­tion­ne­ment réti­nien a pu être par­tiel­le­ment res­tau­ré (Tucker et al., 2011)

Des essais cli­niques sont actuel­le­ment ini­tiés chez l’Homme, Ain­si, S. Yama­na­ka a annon­cé pour 2013/2014 le lan­ce­ment d’un pre­mier essai cli­nique uti­li­sant des cel­lules IPS pour régé­né­rer la rétine et l’épithélium pig­men­taire de patients atteints de dégé­né­res­cence macu­laire liée à l’âge (DMLA).

I. Les stimulations électriques favorisant la neurogenèse

a) Pour­quoi des sti­mu­la­tions élec­triques ?

Le SNC fonc­tionne avec l’électricité qui est géné­rée par les neu­rones. Ain­si, dans la rétine, ce sont les pho­to­ré­cep­teurs qui vont trans­for­mer les infor­ma­tions visuelles et lumi­neuses qu’ils reçoivent en mes­sages élec­triques qui, seuls pour­ront être com­pris et inter­pré­tés par le cer­veau. De nom­breux tra­vaux expé­ri­men­taux démontrent que si la perte de l’activité élec­trique conduit à la mort des neu­rones, le main­tien de cette acti­vi­té voire leur sti­mu­la­tion accrue aug­mente leur sur­vie. Ces effets béné­fiques ont été obser­vés dans cer­taines par­ties du SNC comme par exemple, la cochlée (Leake et al., 1999) et la moelle épi­nière (Becker et al., 2010)

Des expé­ri­men­ta­tions ont été menées sur l’œil et il existe dif­fé­rents types de sti­mu­la­tions, comme par exemple :

-une sti­mu­la­tion trans­cor­néale : l’électrode de sti­mu­la­tion est pla­cée sur une len­tille pla­cée sur la cor­née
-une sti­mu­la­tion sous-réti­nienne : l’électrode de sti­mu­la­tion est pla­cée à l’intérieur de l’œil près de la couche des pho­to­ré­cep­teurs ou au niveau des cel­lules gan­glion­naires

a) Avantages/Inconvénients :

- Cette tech­nique per­met de ralen­tir la dégé­né­res­cence des cel­lules réti­niennes

Mais

- Les dif­fé­rents neu­rones réti­niens ont des seuils élec­tro phy­sio­lo­giques dif­fé­rents. Il est donc néces­saire de cali­brer par­fai­te­ment l’intensité de la sti­mu­la­tion
 — La pose des élec­trodes peut être la cause d’inflammation ou de gliose réac­tive au niveau de la rétine limi­tant la sti­mu­la­tion neu­rale voire pro­vo­quant dans cer­tains cas, pro­vo­quant une mort cel­lu­laire secon­daire

a) Uti­li­sa­tion des sti­mu­la­tions élec­triques en oph­tal­mo­lo­gie, quelques exemples :

Les essais cli­niques sont en cours sont en cours et il n’existe encore que peu de don­nées.
En revanche, des nom­breuses expé­ri­men­ta­tions ont été réa­li­sées chez des ani­maux. Ain­si, la sti­mu­la­tion élec­trique des cel­lules gan­glion­naires de rats mises en culture de murins aug­mente la sur­vie de ces cel­lules et par­ti­cipe à la crois­sance de leurs pro­lon­ge­ments (Gold­berg et al., 2002). Chez des rats de souche « Royal Col­lege Sur­geon » (RCS), modèles ani­maux d’une patho­lo­gie dégé­né­ra­tive humaine, la réti­nite pig­men­taire, des sti­mu­la­tions élec­triques sous réti­niennes ralen­tissent la dégé­né­res­cence des pho­to­ré­cep­teurs (Par­due et al., 2005 ; Cia­vat­ta et al., 2009)

Becker D, Gary DS, Rosenz­weig ES, Grill WM, McDo­nald JW. Func­tio­nal elec­tri­cal sti­mu­la­tion helps reple­nish pro­ge­ni­tor cells in the inju­red spi­nal cord of adult rats. Exp Neu­rol. 2010, 222(2):211 – 218
Cia­vat­ta VT, Kim M, Wong P, Nicker­son JM, Shu­ler RK Jr, McLean GY, Par­due MT. Reti­nal expres­sion of Fgf2 in RCS rats with subre­ti­nal micro­pho­to­diode array. Invest Oph­thal­mol Vis Sci. 2009, 50(10):4523 – 4530.
Gold­berg JL, Espi­no­sa JS, Xu Y, David­son N, Kovacs GT, Barres BA. Reti­nal gan­glion cells do not extend axons by default : pro­mo­tion by neu­ro­tro­phic signa­ling and elec­tri­cal acti­vi­ty. Neu­ron. 2002, 33(5):689 – 702.
Leake PA, Hra­dek GT, Sny­der RL. Chro­nic elec­tri­cal sti­mu­la­tion by a cochlear implant pro­motes sur­vi­val of spi­ral gan­glion neu­rons after neo­na­tal deaf­ness. J Comp Neu­rol. 1999, 412(4):543 – 562.
Naka­no T, Ando S, Taka­ta N, Kawa­da M, Mugu­ru­ma K, Seki­gu­chi K, Sai­to K, Yone­mu­ra S, Eira­ku M, Sasai Y. Self-for­ma­tion of optic cups and sto­rable stra­ti­fied neu­ral reti­na from human ESCs. Cell Stem Cell. 2012, 10(6):771 – 785.
Par­due MT, Phil­lips MJ, Yin H, Sip­py BD, Webb-Wood S, Chow AY, Ball SL. Neu­ro­pro­tec­tive effect of subre­ti­nal implants in the RCS rat. Invest Oph­thal­mol Vis Sci., 46(2):674 – 682.
Schwartz SD, Hub­sch­man JP, Heil­well G, Fran­co-Car­de­nas V, Pan CK, Ostrick RM, Micku­nas E, Gay R, Kli­mans­kaya I, Lan­za R. Embryo­nic stem cell trials for macu­lar dege­ne­ra­tion : a pre­li­mi­na­ry report. Lan­cet. 2012, 379:713 – 720
Tucker BA, Park IH, Qi SD, Klas­sen HJ, Jiang C, Yao J, Reden­ti S, Daley GQ, Young MJ Trans­plan­ta­tion of Adult Mouse iPS Cell-Deri­ved Pho­to­re­cep­tor Pre­cur­sors Res­tores Reti­nal Struc­ture and Func­tion in Dege­ne­ra­tive Mice) PLoS One. 20116(4)
Vala­ma­nesh F, Mon­nin J, Morand-Vil­le­neuve N, Michel G, Zaher M, Milou­di S, Che­mou­ni D, Jean­ny JC, Ver­saux-Bot­te­ri C. Nes­tin expres­sion in the reti­na of rats with inhe­ri­ted reti­nal dege­ne­ra­tion. Exp Eye Res. 2013 May;110:26 – 34.

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