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.

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.