La recherche sur les chimères ouvre de nouvelles portes pour comprendre et traiter les maladies

Jul 10, 2023

Hannah a rejoint Drug Discovery News en tant que rédactrice adjointe en 2022. Elle a obtenu son doctorat en neurosciences de l'Université de Washington en 2017 et a terminé la bourse Dalla Lana en journalisme mondial en 2020.

"Quand j'étais à l'université, ma mère avait besoin d'une transplantation cardiaque", a déclaré Mary Garry, biologiste cellulaire à l'Université du Minnesota. Même si elle n'avait que la cinquantaine, la mère de Garry a appris qu'elle était trop âgée pour recevoir une greffe. il n'y avait tout simplement pas assez de cœurs disponibles.

"Ma mère est décédée en 1980", a déclaré Garry. "Le nombre de cœurs de donneurs disponibles aujourd'hui n'est vraiment pas beaucoup plus que le nombre qui était disponible plus tard dans les années 1980."

Le besoin d'organes, en particulier les reins, le foie et le cœur, dépasse de loin la disponibilité. Aujourd'hui, plus de 100 000 personnes aux États-Unis seulement sont sur la liste d'attente nationale de transplantation (1). Beaucoup mourront en attendant.

Au fur et à mesure que la compréhension scientifique des cellules souches, de l'édition de gènes et du développement des organismes s'améliorait, Garry a estimé que son cheminement de carrière était clair. "Lorsque les technologies sont devenues disponibles pour résoudre ce problème, cela semblait tout à fait la bonne chose à faire."

Aujourd'hui, Garry et son mari Dan, un cardiologue transplantologue, sont des pionniers dans le domaine de la recherche interspécifique sur les chimères, l'étude d'organismes contenant des cellules de deux espèces différentes. Leur équipe se concentre sur l'utilisation de cellules souches pluripotentes induites par l'homme pour faire croître des tissus humains à l'intérieur de porcs.

D'autres scientifiques, dont Jun Wu, biologiste des cellules souches au centre médical du sud-ouest de l'Université du Texas, étudient également les chimères dans le but ultime de pouvoir un jour faire pousser suffisamment d'organes humains pour répondre à l'énorme besoin de greffes, sauvant potentiellement des centaines de milliers de vies. "Les cellules souches pluripotentes humaines ont le potentiel de fournir un approvisionnement inépuisable de cellules, de tissus ou d'organes de donneurs pour la transplantation", a écrit Wu dans un e-mail.

Dans la mythologie grecque, la chimère était un monstre cracheur de feu - mi-chèvre, mi-serpent, mi-lion - qui terrorisait le peuple de Lycie avant d'être tué par le héros Bellerophon. En biologie, une chimère est beaucoup moins monstrueuse ; c'est tout organisme qui contient deux ensembles d'ADN ou plus. Cela peut aller du relativement banal, comme une personne qui a reçu une greffe de moelle osseuse, à des créatures qui semblent plus à l'aise dans la science-fiction, comme des animaux contenant des cellules ou des tissus appartenant à d'autres espèces.

Les chimères interspécifiques créées en laboratoire ne sont pas particulièrement nouvelles. Des scientifiques de l'ARC Institute of Animal Physiology ont annoncé en 1984 leur création d'hybrides mouton-chèvre connus sous le nom de geeps (2). Les premières recherches sur les chimères étaient difficiles et inexactes. Les scientifiques ont minutieusement retiré le tissu d'un embryon et l'ont greffé sur un autre embryon (3). Cependant, les progrès de la recherche sur les cellules souches dans les années 2000 ont révolutionné le domaine, ouvrant de nouvelles possibilités et de nouvelles applications pour la recherche sur les organismes multi-espèces.

En 2007, une équipe de l'Université de Kyoto a créé des cellules souches pluripotentes à partir de cellules somatiques humaines adultes (4). Les chercheurs ont commencé à rêver d'un avenir dans lequel les propres cellules d'un patient, peut-être du sang ou de la peau, pourraient être converties en ces cellules souches pluripotentes induites et cultivées dans n'importe quel organe dont le patient aurait besoin. Non seulement cela fournirait un approvisionnement adéquat en organes, mais cela éliminerait également la nécessité pour les patients de prendre des médicaments immunosuppresseurs potentiellement dangereux ; puisque les nouveaux organes seraient fabriqués à partir de leurs propres cellules, ils n'auraient pas à s'inquiéter du rejet d'organes.

Certains chercheurs tentent d'utiliser des cellules souches pour bioconcevoir des organes humains en laboratoire in vitro, plutôt qu'à l'intérieur d'une autre espèce (5). Alors que Garry reconnaît volontiers l'importance des approches multiples, elle a déclaré qu'il y a des avantages importants à cultiver des organes chez des animaux en développement plutôt qu'in vitro.

"Nous pensons que les signaux de développement qui existent chez le porc aideront à guider les cellules humaines à l'intérieur de l'embryon porcin. Dans l'approche in vitro, il existe un échafaudage physique, mais les signaux biologiques tels que les facteurs de croissance ou la force pure du flux sanguin ou d'autres éléments de cette nature présents dans l'organisme vivant manquent", a-t-elle déclaré. Les scientifiques n'en savent peut-être pas encore assez pour imiter avec précision tous les signaux de développement qui ordonnent aux cellules de devenir un organe spécifique. "La nature en sait plus que nous parce que nous ne pouvons pas réinventer toutes ces choses in vitro", a déclaré Garry.

Une méthode pour cultiver un organe d'un animal à l'intérieur d'une espèce différente est la complémentation de blastocystes. Les chercheurs éliminent un gène qui entraîne le développement d'un organe spécifique dans le blastocyste hôte et implantent des cellules souches pluripotentes d'une espèce donneuse.

Les premières études ont démontré que cette technique fonctionnait, du moins chez certaines espèces étroitement apparentées. En 2010, le biologiste des cellules souches Hiromitsu Nakauchi et son équipe de l'Université de Tokyo ont supprimé un gène qui entraîne la formation du pancréas dans les embryons de souris et ont injecté des cellules souches pluripotentes de rat pour remplir la niche vide. Les souris résultantes sont nées avec des pancréas fonctionnels constitués principalement de cellules de rat (6).

Depuis lors, Nakauchi et d'autres ont créé des organismes chimériques avec des foies, des poumons et des reins « de remplacement » (7–9). Malgré ces succès dans les modèles de rongeurs, la traduction de ces résultats dans les organes humains s'avère beaucoup plus difficile.

Le degré de parenté entre les animaux semble être un facteur important pour déterminer la facilité avec laquelle une chimère interspécifique peut être créée. En ce sens, il pourrait être plus facile de cultiver des organes humains chez des primates non humains étroitement apparentés. Cependant, de nombreux scientifiques pensent que, sur le plan logistique, les porcs sont l'espèce la plus appropriée pour la production à grande échelle d'organes humains : les porcs mûrissent rapidement, ont de grandes portées et leurs physiologies sont similaires à celles des humains à bien des égards (10). À 90 à 200 livres, la taille corporelle d'un cochon miniature ressemble plus à celle d'un humain qu'à celle d'un singe de recherche typique; les macaques rhésus mâles ne pèsent qu'environ 17 livres en moyenne, ce qui pourrait présenter des difficultés lorsqu'ils essaient de faire pousser des organes de taille humaine (11).

Même si les porcs sont optimaux pour la croissance d'organes humains à certains égards, leur distance évolutive par rapport aux humains crée certaines difficultés. Au cours de ses recherches postdoctorales au Salk Institute for Biological Studies, Wu a exploré des stratégies pour rendre les cellules souches humaines plus adaptées à cette tâche.

En amadouant les cellules souches pluripotentes humaines en une forme intermédiaire, quelque part entre une cellule souche naïve et une cellule souche amorcée, Wu, avec d'autres chercheurs de l'Institut Salk, a produit les premiers embryons chimériques humains-porcs en 2017 (12). Bien qu'il s'agisse d'un grand pas en avant, c'était loin d'être des porcs avec des organes entièrement humains. Les chercheurs ont estimé que les embryons contenaient environ une cellule humaine pour 100 000 cellules porcines (12,13).

La suppression des gènes porcins qui stimulent le développement d'organes spécifiques, comme Nakauchi l'a fait chez les souris et les rats, peut aider davantage de cellules souches humaines à se développer dans les embryons de porc, mais cela ne suffit toujours pas pour produire un type d'organe ou de tissu entièrement humain. Les Garry savaient que les cellules humaines avaient besoin d'un coup de pouce supplémentaire, ils ont donc utilisé des cellules humaines qui surexprimaient BCL2, un facteur anti-apoptotique. En combinant ces cellules humaines boostées avec des blastocystes de porc dépourvus du gène régulateur maître ETV2, les Garry ont réussi à produire un embryon de porc avec un endothélium entièrement humain, le tissu qui tapisse le système vasculaire, y compris le cœur et les vaisseaux sanguins (14).

Bien que les greffes d'endothélium ne soient pas réalisables, Garry a déclaré qu'il s'agissait toujours d'un pas en avant important. Dans d'autres modèles, le rein ou le pancréas peuvent être constitués de cellules d'une autre espèce, mais l'endothélium était toujours constitué de cellules hôtes, qui jouent un rôle important dans le rejet d'organe par le receveur de greffe.

L'endothélium est si important qu'"il est possible que le simple fait d'éliminer le système vasculaire avec une seule délétion de gène - ETV2 - soit suffisant pour rendre chaque organe porcin compatible avec la transplantation chez l'homme. Le site de rejet est principalement l'endothélium qui tapisse le système vasculaire ", a déclaré Garry.

Les Garry ont également créé des embryons de porc avec du tissu musculaire squelettique humain, supprimant cette fois la protéine p53 dans les cellules humaines pour stimuler la croissance (15). Bien que ces études montrent que la croissance de tissus humains chez les porcs est possible, ces stratégies de stimulation de la croissance ne sont pas nécessairement appropriées pour créer des organes destinés à être transplantés chez l'homme, car les deux altérations génétiques s'accompagnent également d'un risque accru de croissance du cancer.

L'équipe de Garry travaille actuellement à comprendre la relation entre les cellules souches humaines et les cellules porcines de l'embryon hôte, ce qui pourrait conduire à des stratégies pour augmenter la croissance des cellules humaines plus adaptées aux organes destinés à la transplantation.

"Nous pensons que l'efficacité du chimérisme se résume vraiment aux barrières immunologiques", a-t-elle déclaré. "Donc, nous travaillons avec divers autres groupes qui sont vraiment des experts en immunobiologie, y compris le groupe de David Sachs à l'Université de Columbia, qui nous aide à comprendre tous ces facteurs qui présentent des obstacles à l'avancement."

Garry a estimé que les organes cultivés sur des porcs pourraient être prêts pour des essais chez l'homme en aussi peu que cinq ans.

D'autres chercheurs explorent des stratégies alternatives pour augmenter l'efficacité même chez des animaux évolutifs éloignés (16,17).

Wu espère faire des progrès dans ce domaine en explorant les différences de chimérisme entre des organismes étroitement et plus éloignés. « La comparaison des différences de cellules souches pluripotentes étendues humaines dans les blastocystes de souris et de singe en culture nous aidera à comprendre les barrières d'espèces au cours du développement précoce en raison de l'évolution génomique et à développer de meilleures stratégies pour surmonter ces barrières afin de permettre une contribution plus robuste du chimérisme humain dans des espèces évolutivement plus éloignées, par exemple les porcs », a écrit Wu.

À cette fin, Wu, avec une équipe de chercheurs du Salk Institute for Biological Studies et de l'Université des sciences et technologies de Kunming, a créé les premiers embryons chimériques humains-singes en 2021 (18).

Wu a également identifié la compétition cellulaire entre les cellules animales et humaines au cours du développement comme un facteur important dans l'échec du chimérisme (19). "La compétition cellulaire est connue pour servir de mécanisme de contrôle de la qualité pour éliminer sélectivement les cellules inaptes d'un embryon en développement. Les cellules souches pluripotentes humaines sont ainsi traitées comme des cellules inaptes dans un embryon animal en croissance et sont ciblées pour élimination", a écrit Wu.

En étudiant les mécanismes sous-jacents à ce processus, l'équipe de Wu a identifié des moyens d'aider les cellules humaines à survivre dans les embryons d'animaux. Lors de la croissance d'embryons souris-humains, ils ont constaté une régulation positive des gènes liés à la voie de signalisation NF-κB dans les cellules humaines. Cette voie contrôle de nombreuses fonctions cellulaires différentes, y compris la réponse au stress et l'apoptose, un type de mort cellulaire. En modifiant génétiquement cette voie, les chercheurs ont amélioré la survie des cellules humaines dans les embryons de souris (19).

Jian Feng, chercheur sur les cellules souches à l'Université de Buffalo, développe une autre technique pour encourager les cellules humaines à se développer dans des embryons de souris. Contrairement à Garry et Wu, l'objectif de Feng n'est pas de développer des organes humains, mais d'améliorer notre compréhension des maladies neurodégénératives.

Feng a d'abord reçu une formation de biologiste moléculaire, mais très tôt, il s'est intéressé à l'étude de la maladie de Parkinson, en particulier la forme précoce de la maladie causée par une mutation du gène PRKN. "J'ai senti que je pouvais utiliser toute la puissance de la biologie moléculaire pour étudier une maladie humaine complexe", a-t-il déclaré.

Feng rencontra bientôt les difficultés d'étudier les maladies humaines chez la souris. Lorsqu'il a éliminé le gène PRKN chez les souris, elles ne semblaient pas du tout affectées. Ainsi, lorsqu'il a pris connaissance de la création de cellules souches pluripotentes induites par la souris, suivie peu après de la génération des versions humaines dans les années 2000, il a tout de suite su qu'il souhaitait utiliser ces cellules humaines pour étudier cette maladie humaine.

Cependant, étudier les cellules en culture n'était pas nécessairement la solution. "Si nous voulons étudier les problèmes du SNC humain, nous devons avoir un circuit", a déclaré Feng. De plus, les neurones dopaminergiques de la substantia nigra, qui dégénèrent dans la maladie de Parkinson, ne peuvent pas être facilement recréés dans une boîte. "Ce sont des cellules très uniques. Elles ont une arborisation axonale extrêmement compliquée", a déclaré Feng. "Nous avions besoin de trouver un substitut qui pourrait nous permettre de fabriquer ces cellules in vivo."

Comme d'autres chercheurs, Feng a travaillé sur des stratégies pour améliorer l'efficacité du chimérisme homme-animal. En inhibant temporairement la protéine de signalisation mTOR, Feng a converti les cellules souches pluripotentes humaines en une forme qui affichait une croissance améliorée lorsqu'elles étaient transplantées dans des embryons de souris ; après 17 jours, certains des embryons de souris contenaient jusqu'à 4 % de cellules humaines (16).

Finalement, Feng veut utiliser la technologie des chimères pour créer de meilleurs modèles de la maladie de Parkinson, comme des souris avec des neurones dopaminergiques humains dans la substantia nigra. Cependant, il a noté qu'il restait encore de nombreux problèmes techniques à résoudre.

Bien que créer des rongeurs avec des cellules cérébrales humaines soit une tâche ardue, ce n'est pas complètement sans précédent. En 2017, un groupe de l'Université de Rochester a créé des souris chimériques avec des cellules gliales, les cellules non neuronales du système nerveux central, à partir de cellules souches pluripotentes induites dérivées de patients humains atteints de schizophrénie (19). Les cellules gliales se sont développées anormalement et les souris ont manifesté de l'anxiété, un comportement social altéré et des habitudes de sommeil perturbées, ce qui suggère que les cellules gliales jouent probablement un rôle dans le développement de la schizophrénie et que ces souris pourraient être utilisées comme modèles améliorés pour développer de nouvelles thérapies.

Plus récemment, à l'automne 2022, des chercheurs de l'Université de Stanford ont transplanté un organoïde cortical dérivé de cellules souches humaines dans le cerveau d'un rat nouveau-né (20). Les neurones humains intégrés dans le cerveau du rat ; les activer suffisamment provoquait certains comportements.

Bien que les chercheurs aient encore beaucoup de travail devant eux, ils espèrent qu'un jour leurs efforts fourniront des organes pour les greffes et une meilleure compréhension des maladies neuropsychiatriques, sauvant des vies et atténuant les souffrances dans le monde.

Hannah a rejoint Drug Discovery News en tant que rédactrice adjointe en 2022. Elle a obtenu son doctorat en neurosciences de l'Université de Washington en 2017 et a terminé la bourse Dalla Lana en journalisme mondial en 2020.

Numéro de mai 2023