Des cellules souches pour créer des embryons de chimère porcs/humains
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Les chimères génétiques sont très prometteuses pour avoir des organes abordables et en grande quantité. Mais le défi est de taille et les chercheurs estiment que les chimères génétiques de porcs/humains sont beaucoup plus difficiles que prévu.
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Les chercheurs du Salk Institute ont tenté de développer les premiers embryons contenant des cellules provenant d’humains et de porcs et leurs résultats publiés dans la revue Cell montrent que c’est beaucoup plus difficile que prévu. Les chimères animales-humaines peuvent donner des indices sur le développement précoce humain et les débuts de maladie et elles fournissent une plateforme pour tester les médicaments. L’objectif final des chimères animales-humaines est de développer des cellules, des tissus et des organes pour la médecine régénérative. Mais pour le moment, les chimères génétiques aident les scientifiques à comprendre le développement et la spécialisation des cellules souches.
Le but est de développer des organes greffables, mais on en est encore très loin selon Juan Carlos Izpisua Belmonte, principal analyste de l’étude et professeur au Salk Institute of Biological Studies. Mais l’étude actuelle est une première étape importante.
La chimère du rat et de la souris
En dépit de décennies de tentatives, les scientifiques n’arrivent pas à transformer des cellules souches, qui se développent dans des boites de pétri, pour qu’elles deviennent des cellules adultes spécialisées et des organes. C’est comme si vous tentiez de dupliquer une clé. Le duplicata semble identique, mais quand vous rentrez à la maison, elle n’ouvre pas la porte. Il y a quelque chose qu’on manque selon Izpisua Belmonte. Nous pensions que le développement des cellules humaines dans les animaux serait plus fructueux. Nous avons encore beaucoup de choses à apprendre sur le développement préliminaire des cellules.
Cette image montre une chimère rat/souris de 1 an qui été produite en injectant des cellules souches pluripotentes de rats dans le blastocyste d’une souris. Le pelage marron indique la contribution du rat – Crédit : Juan Carlos Izpisua Belmonte
Dans la première étape, Izpisua Belmonte et Jun Wu du Salk Institute ont créé une chimère rat-souris en introduisant des cellules de rat dans les embryons de souris qui sont ensuite arrivés à maturité. D’autres chercheurs ont déjà créé une chimère souris/rat en 2010. Cette chimère de 2010 était une souris avec du tissu pancréatique qui a été formé à partir de cellules de rat.
Izpisua Belmonte et Wu ont étendu l’expérience en utilisant la modification du génome pour assouplir les cellules de rat pour qu’elles se développent dans des niches précises de la souris. Pour le faire, ils ont utilisé les outils de modification fournis par le CRISPR afin de supprimer les gènes critiques dans les cellules ovulaires fertilisées. Par exemple, dans une cellule donnée, ils vont supprimer un seul gène critique pour le développement d’un organe tel que le coeur, le pancréas ou l’oeil. Ensuite, ils ont introduit les cellules souches de rat dans l’embryon pour voir si elles pouvaient remplir la niche ciblée. Les cellules de rat possèdent une copie fonctionnelle du gène manquant de la souris et ainsi, elles peuvent remplir la place manquante dans l’organe. Quand l’organisme arrive à maturité, les cellules des rats ont rempli celles des souris en formant des tissus fonctionnels tels que le coeur, l’oeil ou le pancréas.
Les cellules de rat ont également permis de former une vésicule biliaire dans la souris et c’est remarquable puisque les rats ont arrêté de développer cet organe il y a 18 millions d’années depuis la séparation évolutionnaire des rats et des souris. Cela suggère que les rats ne développent pas de vésicule biliaire par une sorte d’impuissance, mais que ce potentiel est masqué par un programme spécifique dans le développement du rat selon Wu. Le micro-environnement a évolué sur des millions d’années pour choisir un programme qui définit un rat.
Les chimères rats/souris sont assez faciles à réaliser, mais ensuite, les chercheurs sont passés à l’étape humaine. Comment intégrer des cellules humaines dans un animal ? La première étape était de choisir des animaux adéquats et le cochon et la vache sont de bons candidats puisque leurs organes ressemblent à ceux des humains. L’équipe a rencontré beaucoup de défis logistiques, mais le défi scientifique était déterminé par le genre de cellule souche humaine qui pouvait survivre dans un embryon de vache ou de cochon. Les expériences avec les vaches étaient plus difficiles et plus couteuses et l’équipe s’est donc rabattue sur les cochons. Pour compléter l’étude, il a fallu 1 500 embryons de cochons et la contribution de 40 personnes incluant des éleveurs de cochons sur une période de 4 ans. Nous avions sous-estimé l’effort nécessaire selon Izpisua Belmonte. Il a fallu un véritable tour de force.
Les chimères cochons/humains
La première difficulté est la distance évolutionnaire. Les cochons et les humains sont 5 fois plus éloignés sur le plan de l’évolution que les rats et les souris. De plus, les cochons possèdent une gestation qui est le tiers que celui des humains et donc, les chercheurs devaient introduire les cellules humaines avec un timing parfait pour correspondre au stade de développement du cochon. C’est comme si vous aviez deux routes, la première étant une voie normale et l’autre est une voie ultra-rapide. Vous avez besoin qu’une voiture passe de la voie normale sur la voie ultra-rapide en adaptant sa vitesse à la seconde près pour éviter un carambolage selon Izpisua Belmonte.
Cette image montre l’injection de cellules humaines iPS dans un blastocyste de cochon. Un flux de laser (cercle vert avec une croix rouge dedans) a été utilisé pour perforer une ouverture dans la membrane externe (Zona Pellucida) du blastocyste du cochon afin d’avoir un accès facile pour l’injection des cellules humaines iPS – Crédit : Juan Carlos Izpisua Belmonte
Les chercheurs ont injecté plusieurs formes de cellules souches dans des embryons de cochons pour voir le meilleur taux de survie. Les cellules, qui ont survécu le plus longtemps, étaient les cellules souches pluripotentes humaines “intermédiaires”. Il existe différents types de cellules dans cette branche. On a la variante “naïve” qui est des cellules qui ressemblent à celle d’un développement préliminaire, mais qui possèdent un niveau de potentiel non limité. Les cellules “prêtes” possèdent un développement plus abouti et enfin, on a les cellules “intermédiaires” qui se situent entre les deux selon Wu.
Les cellules humaines ont survécu et elles ont formé des embryons de chimère cochon/humains. Ces embryons ont été implantés dans des truies pour leur permettre de se développer pendant 3 à 4 semaines. C’est suffisant long pour comprendre comment les cellules porcines et humaines se mélangent sans soulever les problèmes éthiques sur des chimères génétiques arrivés à maturité selon Izpisua Belmonte. Même en utilisant les cellules souches les plus performantes, le niveau de contribution pour des embryons chimérisés n’était pas élevé selon Wu.
Et pour Belmonte, c’est une bonne nouvelle. L’une des inquiétudes avec les chimères animales/humaines est que la chimère risque de devenir trop humaine. Par exemple, les chercheurs ne veulent pas que des cellules humaines ne puissent pas contribuer à la formation du cerveau. Dans cette étude, les cellules humaines ne sont pas devenues des précurseurs de cellules cérébrales qui peuvent se développer dans le système nerveux central. À la place, elles se sont développé dans les muscles et les précurseurs des autres organes. À ce point, nous voulions simplement répondre à la question si les cellules humaines pouvaient survivre et avoir un développement préliminaire. Et cette étude répond OUI à la question.
Le prochain défi est d’améliorer l’efficacité et le guidage des cellules humaines pour former un organe précis dans les cochons. Pour le faire, les chercheurs utilisent le CRISPR pour effectuer une modification dans le génome du cochon comme ils l’ont fait avec les souris pour que les cellules humaines remplissent la place manquante. Les travaux sont encore en cours, mais cette étude montre des résultats prometteurs sur les chimères animales/humaines même s’il faut passer par beaucoup de discussions sur le plan éthique et de bien communiquer avec le public sur cette technologie.
Source : Cell (http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)31752-4)
