En un coup d’œil
Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables de se multiplier à l’infini et de donner naissance à n’importe quelle cellule de l’organisme.
Seules les cellules « totipotentes » et « pluripotentes » possèdent le pouvoir tant convoité : la pluripotence.
Les scientifiques parviennent à choisir la voie (spécialisation) qu’elles emprunteront avec des perspectives en recherche et médecine.
Depuis les premières observations d’animaux capables de se régénérer à partir d’un fragment de leur corps jusqu’aux innovations les plus récentes en bio-impression et en "reprogrammation" cellulaire, les cellules souches n’ont cessé de surprendre les biologistes. Elles condensent en elles le potentiel de pluripotence, de régénération et de compréhension du vivant.
Une cellule pas comme les autres
Une cellule souche n’est pas une cellule ordinaire : elle ne ressemble ni à une cellule musculaire, ni à une cellule nerveuse, ni à une cellule sanguine, autrement dit, à aucune cellule dite « spécialisée ». C’est une cellule en attente de destin, capable de produire indéfiniment des copies d’elle-même et de se transformer en n’importe quelle cellule de l’organisme. Ce double pouvoir, l’autorenouvellement (immortalité) et la capacité de différenciation (spécialisation), en fait une pièce maîtresse de la biologie moderne.
Leurs capacités évoluent au cours du processus de différenciation :
- les cellules « totipotentes » (premiers jours du développement embryonnaire) peuvent former un organisme complet ainsi que l’environnement dans lequel il évolue (placenta, etc.) ;
- les cellules « pluripotentes » (prélevées sur un embryon autour du 6ème jour de développement) peuvent générer tous les types cellulaires, mais pas les tissus extra-embryonnaires ;
- enfin, les cellules « multipotentes » (somatiques) ne peuvent produire que des cellules similaires (kératinocytes, neurales…).
Ces spécificités reflètent la richesse de la biologie et permettent de comprendre l’attrait des scientifiques pour les cellules souches.
En effet, la compréhension de ces mécanismes a ouvert la voie à leur maîtrise : les scientifiques parviennent à reproduire des cellules souches à l’infini grâce à la dérivation de lignées et plus encore, à agir sur le processus de différenciation : choisir la voie qu'elles emprunteront. Les perspectives sont aussi infinies que leur potentiel : créer de nouveaux modèles d’étude pour la recherche et la pharmacologie comme les organoïdes, concevoir des substituts de tissus aux fins de greffe, envisager la thérapie cellulaire pour réparer ou régénérer des tissus ou organes défaillants, anticiper la réussite d’un traitement grâce aux tumoroïdes.
Plasticité, régénération et reprogrammation
La capacité à se régénérer est ancienne dans le règne animal. L’hydre d’eau douce (polype), observée dès le XVIIIe siècle par Abraham Trembley, peut se régénérer entièrement à partir d’un fragment de son corps. Tel est également le cas des vers plats. Cette aptitude exceptionnelle attise la curiosité des scientifiques depuis des années. Chez les mammifères, ce pouvoir existe aussi mais il est limité à certains tissus. La moelle osseuse, par exemple, produit en continu les cellules du sang. D'autres cellules peuvent quant à elles se renouveler en autonomie et de façon continue : tous les 30 jours environ (la durée s'allonge au fil des âges) pour la peau et tous les 5 jours environ pour la muqueuse épithéliale intestinale. À l'inverse, les cellules "ciliées" (oreille interne) ne possèdent pas cette faculté, de sorte que leur atteinte "entraîne un déficit sensoriel irréversible". Cependant, les progrès en thérapie cellulaire laissent entrevoir des solutions prometteuses pour y remédier !
Dans les années 1970, Nicole Le Douarin, grande biologiste française, a développé une technique innovante d’embryons chimériques en greffant des cellules de caille dans des embryons de poulet. Grâce à cette méthode, elle a pu suivre le devenir des cellules au cours du développement. Elle a ainsi révélé la plasticité inattendue des cellules de la crête neurale. Ces cellules, issues de l’embryon, peuvent devenir os, cartilage, neurones... Or, certaines cellules restent indéterminées plus longtemps qu’on ne le pensait, capables de modifier leur trajectoire en fonction de leur environnement. Ces travaux remarquables ont ainsi transformé la compréhension du développement embryonnaire et préparé le terrain aux stratégies modernes de médecine régénérative : réparer les tissus lésés en mobilisant les capacités intrinsèques du vivant.
Une avancée décisive supplémentaire est survenue en 2006. Le chercheur japonais Shinya Yamanaka réussit, avec son équipe, à transformer des cellules somatiques (adultes : différenciées) en cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS). En introduisant quatre gènes clés (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc) dans le noyau de ces cellules, il est parvenu à les ramener à un état proche de celui des cellules embryonnaires avec la même capacité tant convoitée : la pluripotence. Autrement dit, il est parvenu à leur faire remonter le temps !
Qu'en est-il de la bioéthique ? Leur principal atout est qu'elles permettent d'éviter le recours aux embryons. C'est un enjeu éthique important dans de nombreux pays, dont la France, l'Allemagne, l'Italie ou hors de l'UE, le Canada. En effet, les cellules iPS sont produites à partir de cellules prélevées sur le patient ou issues d'un patient bio-compatible (notamment grâce aux banques de cellules). Cependant, elles possèdent leurs propres enjeux, comme le recours à l'édition génomique avec ses risques et ses questionnements. Chaque pratique a ainsi ses avantages et ses inconvénients. Ce qu'il faut garder à l'esprit est que les biotechnologies (les sciences et les technologies appliquées aux organismes vivants) constituent un secteur aussi prometteur que "sensible", en particulier lorsqu'elles concernent l'être humain. Les débats bioéthiques sont alors nombreux et délicats puisqu'il s'agit, pour chaque innovation, de fixer les lignes rouges à ne pas franchir : ce qui est acceptable ou ne l’est pas, pour qui ou quoi, dans quel cadre et pour quelle finalité ?
Une révolution silencieuse, très prometteuse !
Pour comprendre l'attrait des chercheurs du monde entier pour les cellules souches, voici un aperçu des perspectives spectaculaires !
Saviez-vous que depuis quelques années, les cellules souches avaient quitté les laboratoires pour entrer dans le champ thérapeutique ? L’idée n’est plus seulement de "guérir", mais de réparer et régénérer. La thérapie cellulaire repose sur ce principe : réintroduire dans un tissu lésé des cellules capables de le restaurer de l’intérieur. Ces cellules peuvent être cultivées en laboratoire à partir de cellules souches embryonnaires, somatiques ou pluripotentes induites (iPS), avant d’être implantées chez le patient. Aussi, les techniques associées se perfectionnent. La bio-impression (impression 3D / 4D appliquée à la biologie) permet d’assembler, couche par couche, des cellules combinées à des biomatériaux afin de concevoir des substituts de tissus pour les greffer sur des patients. Par exemple, de peau pour un grand brûlé ou de cornée.
À découvrir : La conférence du Dr. Luciano Vidal "La bio-impression 3D, une révolution pour la médecine régénérative" (TEDx Talks).
Bien que ces techniques soient déjà impressionnantes, les scientifiques parviennent à aller encore plus loin ! Dans la recherche, sont développés des organoïdes : des petites structures qui miment un organe modèle. Par exemple, les « cérébroïdes » miment le cerveau, tandis que « l’embryoïde » mime l’embryon. Il est même possible de le concevoir à un stade précis de développement (blastoïdes, gastruloïdes... voici un cours du Collège de France pour décoder ces curieuses appellations). Les organoïdes permettent aux chercheurs d’étudier le développement humain : comment se forment les structures, les organes, les tissus... C'est également une porte d'entrée sur la compréhension des maladies depuis leur origine. Ils peuvent également servir à mimer la tumeur d'un patient (tumoroïde) afin de l'étudier et d'anticiper la réussite ou l'échec d'un traitement (médecine personnalisée).
Bon à savoir : Ces structures sont parfois nommées à tort "mini-organes". En effet, il reste encore un long chemin à parcourir pour parvenir à une telle prouesse ! À ce jour, les organoïdes "miment" (il ne s'agit donc pas d'une reproduction parfaite) certaines fonctions (ni complète). De plus, leur taille microscopique, leur instabilité et le fait qu’ils évoluent dans un environnement isolé (sans contact avec le reste de l’organisme, à l'exception des chimères) les privent pour l’instant d'une telle qualification.
Cependant, les progrès en sciences et technologies, ainsi que l’attrait des scientifiques du monde entier pour ces modèles de recherche laissent entrevoir de belles perspectives. Si ces défis étaient relevés, les organoïdes pourraient constituer une alternative aux embryons humains et à l’expérimentation animale. Et dans un avenir encore plus lointain, si les obstacles techniques étaient surmontés, peut-être bien qu'un usage en médecine pourrait être envisagé. Par exemple, pour pallier l'insuffisance des dons de tissus ou mieux encore, d'organes !
Pour Approfondir
Nicole Le Douarin, Cellules souches. Porteuses d’immortalité, Odile Jacob, 2007.
Shinya Yamanaka, Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors, Cell, 2007.
INSERM, Cellules souches embryonnaires humaines, 2015.
INSERM, Cellules souches pluripotentes induites, 2023.
IRAE, Les organoïdes : des organes miniatures aujourd’hui incontournables pour la biologie et la médecine, 2022.