Les cellules souches sont le point de départ de toutes les autres cellules de notre corps. La premières cellules de ce type à être trouvées étaient des cellules souches sanguines – comme leur nom l’indique, elles donnent naissance à différents types de cellules sanguines.
Mais il y a beaucoup de choses que nous ignorons sur la façon dont ces cellules se développent en premier lieu. Dans une étude publiée aujourd’hui dans Rapports de cellulenous avons montré comment une simulation en laboratoire du cœur battant et de la circulation d’un embryon conduit au développement de précurseurs de cellules souches sanguines humaines.
Le petit appareil imite le flux sanguin embryonnaire, nous permettant d’observer directement la formation du sang embryonnaire humain au microscope. Ces résultats peuvent nous aider à comprendre comment nous pouvons produire des thérapies vitales pour les patients qui ont besoin de nouvelles cellules souches sanguines.
Cultiver des thérapies salvatrices en laboratoire
Pour traiter les cancers du sang agressifs tels que la leucémie, les patients ont souvent besoin de doses extrêmement élevées de chimiothérapie ; un greffe de cellules souches sanguines puis régénère le sang après le traitement. Ce sont des thérapies vitales, mais elles sont réservées aux patients qui ont un donneur de cellules souches sanguines compatible avec les tissus.
Un moyen de contourner ce problème serait de cultiver plus de cellules souches sanguines en laboratoire. Malheureusement, des expériences passées ont montré que les cellules souches sanguines adultes récoltées perdent leur potentiel de transplantation si elles sont cultivées en laboratoire.
La découverte de cellules souches pluripotentes induites – des cellules souches fabriquées à partir de cellules adultes – en 2006 a conduit à une nouvelle approche prometteuse. Les cellules souches pluripotentes induites sont fabriquées à partir des propres cellules du patient, il n’y a donc pas de problème de rejet de tissu ou de problèmes éthiques entourant l’utilisation d’embryons de FIV.
Ces lignées cellulaires sont similaires aux cellules souches embryonnaires, elles ont donc le potentiel de former n’importe quel type de tissu ou de cellule – elles sont donc «pluripotentes». En théorie, les lignées de cellules souches pluripotentes pourraient fournir un approvisionnement illimité de cellules pour la régénération du sang car ils sont immortalisés – ils peuvent se développer indéfiniment en laboratoire.
Mais le développement de processus nous permettant de développer des types particuliers de tissus, d’organes et de types de cellules – comme le sang – a été lent et prendra des décennies à progresser. Il faut mimer le processus complexe de l’embryogenèse dans le plat !
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Ingénierie d’un cœur embryonnaire
Les connaissances actuelles sur le développement des cellules souches sanguines embryonnaires reposent sur des modèles animaux. Des expériences avec des embryons de poisson zèbre anesthésiés ont montré que des cellules souches sanguines apparaissent dans la paroi de le vaisseau sanguin principal, l’aorte, peu de temps après le premier battement de cœur. Pour des raisons éthiques, il est évident que ce type d’étude n’est pas possible sur des embryons humains.
C’est pourquoi nous avons voulu concevoir un modèle de cœur embryonnaire en laboratoire. Pour y parvenir, nous avons utilisé microfluidique – une approche qui consiste à manipuler des volumes extrêmement faibles de liquides.
UNSW/Jingjing Li, Auteur fourni
La première étape de la génération de cellules souches sanguines à partir de cellules souches pluripotentes consiste à amadouer ces dernières pour former le site où les cellules souches sanguines commencent à se développer. C’est ce qu’on appelle la région AGM (aorte-gonade-mésonéphros) de l’embryon.
Notre pompe cardiaque et circulation miniature (3 x 3 centimètres) imite l’environnement mécanique dans lequel les cellules souches sanguines se forment dans l’embryon humain. L’appareil pompe les milieux de culture – des liquides utilisés pour faire pousser des cellules – autour d’un circuit microfluidique pour copier ce que fait le cœur de l’embryon.
Un pas de plus vers le traitement
Une fois que nous avons obtenu que les cellules forment la région AGM en stimulant les cellules le deuxième jour du démarrage de notre culture cellulaire, nous avons appliqué ce que l’on appelle un flux circulatoire pulsatile du jour 10 au jour 26. Les précurseurs sanguins sont entrés dans la circulation artificielle à partir des vaisseaux sanguins tapissant les canaux microfluidiques. .
Ensuite, nous avons récolté les cellules en circulation et les avons cultivées, montrant qu’elles se sont développées en divers composants sanguins – globules blancs, globules rouges, plaquettes et autres. Une analyse approfondie de l’expression génique dans des cellules individuelles a montré que le flux circulatoire générait des cellules précurseurs aortiques et souches sanguines trouvées dans l’AGM des embryons humains.
Cela signifie que notre étude a montré comment le flux circulatoire pulsatile améliore la formation de précurseurs de cellules souches sanguines à partir de cellules souches pluripotentes. Ce sont des connaissances que nous pourrons utiliser à l’avenir.
La prochaine étape de nos recherches consiste à intensifier la production de précurseurs de cellules souches sanguines et à tester leur potentiel de greffe chez des souris immunodéficientes capables d’accepter des greffes humaines. Nous pouvons le faire en utilisant un grand nombre de cellules souches pluripotentes cultivées dans des bioréacteurs qui stimulent également mécaniquement la formation de cellules souches sanguines.
Si nous pouvions facilement produire des cellules souches sanguines à partir de lignées de cellules souches pluripotentes, cela fournirait un approvisionnement abondant de ces cellules pour aider les traitements du cancer ou des maladies génétiques du sang.
