Les cellules souches à l'épreuve du réel

Quand Martin Evans, scientifique britannique, publie ses travaux en 1998, la nouveauté et le potentiel de ce qu'il décrit ne font aucun doute : il montre pour la première fois qu'il est possible d'isoler de l'embryon des cellules qui ont la double propriété de se régénérer indéfiniment et de pouvoir donner naissance à n'importe quelle cellule : foie, muscle, peau, os, etc. Ces cellules souches, appelées aussi cellules embryonnaires ou ES (pour embryonic stemcell / cellules embryonnaires) sont dites pluripotentes. Elles n'existent que chez l'embryon âgé de 4 à 5 jours. Les cellules souches adultes, qui donnent naissance aux cellules d'un même groupe, comme celles du sang, sont dites, elles, multipotentes. Une différence qui s'estompera un peu avec la découverte des cellules "reprogrammées" (cf partie 3).

En dix ans, l'intérêt thérapeutique potentiel des cellules souches embryonnaires ne s'est pas démenti : elles restent, à ce jour, les seules susceptibles d'être différenciées à la demande, si l'on veut demain les utiliser pour soigner certaines maladies. Et parce que cette échéance apparaît moins lointaine aujourd'hui qu'en 1998, la recherche, elle aussi, s'accélère. Certes, la paillasse demeure, mais elle se fait high-tech, automate... D'autant que bien d'autres applications des cellules souches ont été imaginées en dix ans, notamment pour produire des molécules thérapeutiques.

Désormais donc, les recherches fondamentale et appliquée marchent d'un même pas. C'est ce que montre ce dossier à travers l'exemple d'I-Stem (Institut des cellules souches pour le traitement et l'étude des maladies monogéniques). Ce nouveau laboratoire (voir notre actualité Un laboratoire dédié aux cellules souches), imaginé par le biologiste Marc Peschanski, qui en assure la direction scientifique, est installé au cœur du Genopole d'Evry. I-Stem est le fruit d'une collaboration entre l'Institut national de la santé et de la recherche médicale (Inserm), l'université d'Evry et l'Association française contre les myopathies (AFM), qui en a financé l'essentiel. Avec un budget annuel de sept millions d'euros et une soixantaine de chercheurs, ingénieurs, techniciens et étudiants, il est dédié, autour d'une "usine cellulaire" et d'une unité d'ingénierie génétique, aux cellules souches embryonnaires dans la recherche fondamentale et le traitement de plusieurs maladies génétiques cardiaques, cutanées, neuromusculaires ou neurodégénératives comme la maladie de Huntington, à laquelle Marc Peschanski se consacre depuis des années.

01.Maladie de Huntington : des cellules souches porteuses d'espoir

Les cellules souches embryonnaires sont capables de donner naissance à des cellules de tous les types de tissus adultes. Ici, des cellules souches embryonnaires différenciées en précurseurs neuraux.
© I-StemL'histoire débute en 1985, avec la révolution qui secoue les neurosciences. L'ancien dogme selon lequel les cellules nerveuses adultes sont figées, incapables d'évoluer ou de s'adapter, vole en éclats dès qu'on peut observer leur plasticité : en perpétuel remaniement, les neurones poussent des connexions ici, se rétractent là, selon les circonstances. Témoin et acteur de cette révolution, Marc Peschanski quitte presque du jour au lendemain ses recherches sur la douleur pour s'intéresser aux greffes neuronales, que cette neuroplasticité rend désormais envisageables.

En 1996, les premières greffes de malades parkinsoniens avec des neurones immatures prélevés dans le cerveau de fœtus de 9 à 12 semaines issus d'IVG (interruption volontaire de grossesse) sont un succès. La maladie de Huntington pourrait aussi en bénéficier. Maladie rare, elle se déclare à l'âge adulte par des troubles du comportement, des mouvements involontaires et des troubles moteurs qui, en 15 à 20 ans, s'aggravent jusqu'au décès. En cause, la mutation d'un gène transmise par le parent porteur à la moitié de ses enfants. Elle provoque la perte progressive des neurones d'une région précise du cerveau, le striatum. "C'est comme une chaîne dont un maillon est rompu. L'idée, c'est de remplacer les neurones détruits pour rétablir cette continuité explique Marc Peschanski. Les cellules greffées doivent être suffisamment jeunes pour pouvoir être prélevées, implantées, et s'intégrer dans un cerveau adulte, mais aussi déjà spécialisées pour redonner la population de neurones détruite." Comme précédemment, le greffon de cellules provient de fœtus issus d'IVG.

Un premier essai, réalisé en 2000, améliore nettement trois des cinq malades greffés et prouve l'intérêt du traitement, qu'un essai européen en cours avec 120 malades devrait confirmer. Mais, dès le début, la technique est dans une impasse : le nombre de fœtus nécessaires est trop grand pour pouvoir généraliser la greffe à tous les malades. Il faut trouver une alternative. Elle est apportée par la découverte, en 1998, des cellules souches embryonnaires humaines (hES : human Stem Cell), puisqu'elles sont expérimentalement capables de se multiplier indéfiniment et de se différencier sur commande. D'où la naissance, en 2005, d'I-Stem, le laboratoire que dirige Marc Peschanski. Son but : utiliser les cellules souches pour l'étude et à terme le traitement de maladies monogéniques comme celle de Huntington.

Les recherches sur cette maladie sont confiées à l'une des équipes d'I-Stem, dirigée par Anselme Perrier. Tout le travail sur les greffes est à reprendre. "L'hypothèse, c'est que les cellules ES en culture sont capables de fournir des greffons tout à fait comparables aux greffes fœtales, explique-t-il. Nous avons mis au point des protocoles de différenciation dirigée de ces cellules en cellules du striatum (dites striatales). Nous validons actuellement le comportement biologique de ces greffons chez le rat, avec des résultats intéressants. Mais certains tests ne pourront être validés que chez le singe. Il faudra donc encore plusieurs années avant de disposer éventuellement de greffes fonctionnelles pour les malades."

Autre objectif, la recherche sur les mécanismes de la maladie de Huntington. L'équipe cultive une lignée importée de l'étranger (voir chapitre 4) de cellules ES porteuses de la mutation, issue d'un embryon écarté par diagnostic préimplatatoire (DPI) avant une fécondation in vitro chez un couple atteint de cette maladie. D'autres lignées cellulaires humaines, provenant de centres de DPI en France ou à l'étranger seront reçues cette année. "Ces cellules souches mutées vont nous permettre de rechercher les mécanismes biologiques et les gènes affectés par la maladie lors du développement neuronal, et nous aider à comprendre comment la mutation causale de la maladie de Huntington, portée par toutes les cellules, s'exprime si spécifiquement dans le neurone", poursuit Anselme Perrier. Cette diversité de lignées est aussi importante pour comprendre la grande variabilité des atteintes et des symptômes de la maladie. Quand ces anomalies et les méthodes pour les repérer seront identifiées, il sera possible de tester sur ces cellules mutées des molécules susceptibles de les corriger dans des conditions optimales.

02.Du labo à la biotech : contraintes et enjeux

Automate de pipetage (Bravo-Velocity 11), installé à l'I-Stem, qui permet d'automatiser les tests de culture cellulaire et de contrôler les paramètres de culture des cellules souches.
© I-StemEn une décennie, les travaux sur les cellules souches ont ouvert des perspectives tout à fait inédites pour la recherche et pour l'industrie. En recherche fondamentale, c'est la possibilité d'étudier directement le développement précoce normal ou pathologique de l'embryon, mais aussi de disposer de modèles plus fidèles des maladies. En effet, jusqu'à présent, les chercheurs travaillent surtout sur des modèles animaux, assez éloignés de l'être humain, avec une validation tardive des résultats chez l'homme, d'où des échecs nombreux et coûteux.

Avec les cellules souches embryonnaires, c'est un regard direct sur la maladie humaine qui devient possible, puisque des lignées de cellules souches peuvent être dérivées à partir d'embryons porteurs de l'anomalie de départ. Lorsqu'il n'existe pas de lignée porteuse de mutation, le transfert de gènes anormaux dans des cellules souches normales permet de créer des modèles de maladies plus fiables que les modèles actuels. C'est ce que fait par exemple Michel Pucéat, autre chercheur d'I-Stem, pour étudier les maladies génétiques du cœur.

Qu'il s'agisse de produire des lignées de cellules modèles de pathologies pour rechercher de nouveaux médicaments ou des lignées de cellules normales pour produire des molécules biologiques comme l'insuline, les cellules souches intéressent déjà beaucoup l'industrie pharmaceutique. Outre le développement de médicaments nouveaux, elle y voit aussi, à court terme, la possibilité de tester plus directement et plus aisément l'activité ou les effets toxiques éventuels de futurs médicaments.

I-Stem, qui allie recherche fondamentale et transfert vers la thérapeutique humaine, est déjà un exemple de cette transition nécessaire vers la biotechnologie des cellules souches. Ce transfert passe d'abord par la production massive de cellules souches embryonnaires dans des conditions rigoureusement contrôlées. Actuellement, les bioréacteurs dans lesquels elles sont cultivées peuvent produire des dizaines de millions de cellules souches indifférenciées, normales ou pathologiques, par semaine. Dans la recherche de médicaments, I-Stem s'est aussi doté d'un robot de criblage capable de faire simultanément, sans intervention humaine, 40 000 tests de molécules potentiellement actives sur des lignées de cellules modèles de maladies.

Le robot de criblage à haut-débit de la plate-forme technologique d'I-Stem est capable de gérer en même temps, sans intervention humaine, la culture de cellules dans près de 40 000 "mini boîte de Pétri" et de "lire" les réponses des cellules aux molécules testées.
© I-StemMais l'utilisation des cellules souches en thérapeutique humaine a d'autres contraintes. Elle exige, par exemple, de remplacer la culture habituelle sur cellules nourricières par un milieu dépourvu de toute cellule ou substance animale, afin d'éviter tout risque immunitaire ou infectieux. C'est ce que permettent de nouvelles méthodes où l'apport de tous les éléments nécessaires à la culture des cellules souches est automatisé, dans un processus de contrôle rigoureux de chaque paramètre.

Cette culture en milieu défini, en cours d'expérimentation à I-Stem, est indispensable pour une autre raison. Pour une greffe de neurones fœtaux, par exemple, on peut prélever assez précisément la population qu'on veut implanter. À partir des cellules souches embryonnaires, c'est autrement compliqué puisqu'on part de cellules indifférenciées. Leur différenciation doit donc être guidée par le milieu de culture, qui doit fournir les bons "panneaux indicateurs" au bon moment, sachant qu'à chaque étape la cellule montre aussi ses propres panneaux qui attendent une réponse précise du milieu pour prendre la bonne direction jusqu'au type cellulaire et au stade de maturation souhaité.

Reste aussi ouverte la question de la stabilité génétique de ces cellules - il faut s'assurer que leur patrimoine génétique ne se modifie pas au cours du temps -, et du risque tumoral associé aux cellules ES (il faut être certain que ces cellules encore embryonnaires ne sont pas porteuses de tumeurs). "Ces problèmes devront être réglés avant que nous n’ayons la possibilité de proposer un développement en recherche clinique des cellules que nous préparons par exemple pour la thérapie cellulaire substitutive" indique Marc Peschanski. Ce qui diffère encore, pour quelques années au moins, cette utilisation.

03.Les cellules souches : entre espoirs et réalité

Les cellules souches adultes sont capables de donner naissance à des cellules du même groupe. Des recherches sont en cours pour étudier leur capacité à se différencier en d'autres tissus. Ici, des cellules souches adultes extraites du tissu adipeux.
© Patrick Laharrague / CNRS PhotothèquePeu de découvertes ont suscité autant de rêves que les cellules souches. Leurs promesses restent pour l'essentiel valides. Mais une décennie de recul permet de mieux faire la part entre le possible et l'hypothétique.

Au cœur de l'engouement, la double compétence des cellules souches ES à se multiplier identiques à elles-mêmes et à se différencier en n'importe quelle cellule. On a ainsi imaginé, dès leur découverte, qu'il serait un jour possible d'utiliser les propres cellules d'un malade comme source de greffe, donc de supprimer le risque de rejet que seuls des traitements contraignants permettent aujourd'hui de contourner. Sauf qu'il faudrait pour cela pratiquer un "clonage thérapeutique", c'est-à-dire transférer le noyau d'une cellule du malade dans un ovocyte de femme préalablement énucléé, puis en dériver une lignée de cellules souches embryonnaires.

Si, au-delà des questions éthiques posées, la faisabilité d'un tel clonage est confirmée, l'énormité des coûts rend improbable ce type de solutions individuelles, sauf peut-être en cas de maladies rares. On s'oriente plus vraisemblablement, selon certains spécialistes, vers l'amélioration de cette compatibilité. On a ainsi calculé qu'avec 180 lignées de cellules souches, il serait possible de prendre en compte les différences majeures de compatibilité de 80 % de la population d'origine européenne.

Connues depuis longtemps pour certaines, tels les précurseurs des cellules sanguines, les cellules souches adultes sont présentes en petit nombre dans les tissus dont elles assurent le renouvellement naturel ou la réparation, ainsi que dans le sang de cordon ombilical et la moelle osseuse. Ces cellules ont suscité beaucoup d'espoirs quand des travaux ont suggéré que certaines auraient conservé des capacités proches de celles des cellules souches embryonnaires, comme celle de se "trans-différencier" d'un type cellulaire en un autre. Un espoir d'autant plus grand que, du coup, le recours à l'embryon devenait inutile. Après quelques années, les résultats sont très en deçà des espérances. De multiples tentatives de greffes ou de thérapies ont donné des résultats médiocres, souvent contradictoires. Elles ont apparemment des capacités d'auto-renouvellement et de différenciation plus restreintes qu'imaginé. Mais l'intérêt reste vif, notamment pour certaines cellules souches très immatures de la moelle osseuse et du sang de cordon.

Un même enthousiasme se manifeste aujourd'hui pour les cellules "reprogrammées" ou iPS (à pluripotence induite). Le biologiste japonais Yamanaka a réussi, d'abord chez la souris en 2006 puis chez l'homme en 2007, à faire "remonter le temps" vers un état proche du stade embryonnaire à de banales cellules adultes de peau et de tissu conjonctif. La recette utilisée : l'introduction de quatre gènes (Oct4, Sox2, c-myc et klf4) dans le génome de ces cellules adultes, gènes qui sont naturellement exprimés dans les cellules souches embryonnaires. Avec un "cocktail" un peu différent, les Américains Yu et Thomson sont arrivés à des résultats comparables. Mais l'efficacité de cette technique est faible : dix lignées obtenues pour 50 000 cellules transfectées si le cocktail contient c-myc, 100 fois moins sans lui. Or ce gène (c-myc) peut induire des cancers, les autres (Oct4, Sox2 klf4) sont suspects, et on ne connaît ni les mécanismes de cette reprogrammation ni sa stabilité. "Personne ne peut donc dire aujourd'hui si on pourra un jour envisager d'utiliser ces cellules chez l'homme, commente Marc Peschanski, pour qui l'idée qu'il faudrait tout miser sur ces cellules reprogrammées bloquerait toute la recherche sur les cellules souches."

04.Bioéthique : la loi bientôt révisée

Le député Pierre-Louis Fagniez, auteur du rapport Cellules souches et choix éthiques.
© Pierre-Louis FagniezLa loi de bioéthique du 6 août 2004, révisant la première loi de bioéthique de 1998, interdit la recherche sur l'embryon, sauf (à titre dérogatoire et après consentement des parents) sur les embryons surnuméraires pour lesquels il n'y a plus de projet parental et sur les embryons écartés lors d'un diagnostic préimplantatoire. Mais il faut attendre la création de l'Agence de la biomédecine en mai 2005 pour normaliser la situation. "Nous avons donc perdu sept ans, entre 1998 et 2005, qu'il est désormais pratiquement impossible de rattraper dans une compétition scientifique internationale très vive, estime Marc Peschanski. Nous avons aujourd'hui, grâce à l'Agence de la biomédecine, un cadre de travail satisfaisant ; même si l'écriture de la loi de 2004 crée des incertitudes, qu'a parfaitement relevé en 2006 le rapport établi par le député Pierre Louis Fagniez."

La prochaine révision de la loi devrait nécessairement intervenir en 2009, date butoir du régime dérogatoire de cinq ans fixé par la loi de 2004. Quels en sont les enjeux ? Les mêmes, pour partie, qu'en 2004, tant restent vifs les clivages sur le clonage thérapeutique et la possibilité d'utiliser l'embryon à des fins de recherches. La récente décision judiciaire* visant à donner une identité au fœtus, en renvoyant par analogie à la question du statut de l'embryon, n'aidera pas à clarifier le débat.

Pour Marc Peschanski, le problème est simple. "Notre façon de poser les questions ne peut pas être univoque. Il s'agit pour nous de savoir si, à un moment, nos recherches présentent un intérêt ou non pour les patients. C'est donc une démarche très pragmatique. Par ailleurs, personne ne peut dire aujourd'hui, par exemple, si on pourra un jour produire des cellules souches pluripotentes induites dans des conditions cliniquement acceptables. Or, pour nous, c'est seulement après que se posera la question de savoir s'il faut ou non les utiliser, et comment."

Dans son rapport Cellules souches et choix éthiques, rendu en 2006 dans la perspective de la révision de la loi en 2009, le député Pierre Louis Fagniez (UMP) insiste sur "la nécessité de l'analyse impartiale", sur "l'importance de la nuance et de l'équilibre", tout en soulignant qu'"à l'heure du village global, les choix de la France ne peuvent pas être déconnectés". Parmi ses dix propositions, certaines constitueraient une évolution nette de la loi : l'autorisation, sous contrôle strict, du clonage thérapeutique ; le passage du régime dérogatoire des recherches sur les cellules souches embryonnaires à un simple régime d'autorisation ; et l'allègement des procédures d'importation de lignées de cellules embryonnaires. Il est vrai, comme le dit Pierre Louis Fagniez, que "les enjeux dépassent le cadre scientifique... (et que) les cellules souches peuvent devenir un marché fructueux." Un marché mondial potentiel estimé autour de 15 milliards de dollars ! (source Les Echos, 08/06/2006).

Reste largement ouverte une question : quelle sera la place du public dans les débats à venir sur cette révision ? Le ministre de la Santé Xavier Bertrand annonçait en février 2007 : "Je pense qu’il est nécessaire d’organiser avec l’Agence de biomédecine des États généraux de la bioéthique afin qu’un véritable débat public puisse s’engager sur des thématiques qui nous touchent à la fois dans notre vie privée mais aussi dans la vie économique et plus globalement dans la vie sociale. Un comité d’organisation va être constitué dans les prochains mois et réunira tous les acteurs concernés : médecins, philosophes, psychologues, représentants d’associations de patients, élus…pour préparer ce débat qui aura lieu au premier semestre 2008. (…) La révision de la Loi de bioéthique est prévue pour 2009 : deux ans pour que l’opinion publique se saisisse de ces sujets, deux ans pour que l’Agence de biomédecine nourrisse ce débat public, deux ans pour que nous prenions conscience de l’urgence à faire de ce sujet un beau et grand débat public."

Mais de l'organisation de ce débat, à l'origine prévu pour début 2008, personne n'a entendu parler… Et on ignore encore si Roselyne Bachelot, qui a succédé à Xavier Bertrand, reprendra à son compte ces propositions.