Savais-tu que les cellules souches ont le potentiel de guérir des maladies comme la maladie d'Alzheimer et le diabète ? Dans ce résumé de cours, nous allons découvrir ce que sont les cellules souches, ainsi que les différents types de cellules souches. Ensuite, nous parlerons de la différenciation cellulaire et de quelques exemples de cellules souches dans la thérapie cellulaire.
Qu'est-ce qu'une cellule souche ?
Les cellules souches sont des cellules qui ont le potentiel d'exprimer n'importe lequel de leurs gènes dans leur génome. Cela signifie qu'elles ont le potentiel de se différencier en n'importe quel type de cellule dans le corps.
Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables de proliférer (augmenter rapidement en nombre) et de se transformer en cellules spécialisées.
Avantages des cellules souches
Afin de se différencier en un type de cellule particulier, la cellule souche doit transcrire et traduire seulement certaines parties spécifiques de son ADN et garder les autres parties désactivées.
En se spécialisant, les cellules souches acquièrent des caractéristiques et des adaptations spécifiques. Elles peuvent notamment modifier la structure cellulaire, les protéines membranaires, ainsi que le type ou le nombre d'organites qu'elles contiennent. Le processus par lequel les cellules souches deviennent des cellules spécialisées est appelé différenciation cellulaire.
Les cellules différenciées en phase terminale ne peuvent pas proliférer et se remplacer, car elles ont perdu de manière irréversible la capacité de subir une mitose tout en acquérant des adaptations spécialisées.
Les cellules souches proviennent de diverses sources chez les mammifères. Il s'agit notamment de :
cellules souches embryonnaires : obtenues à partir d'embryons aux premiers stades de leur développement ;
cellules souches du sang du cordon ombilical : obtenues à partir du sang du cordon ombilical. Elles sont similaires aux cellules souches adultes ;
cellules souches du placenta : elles se trouvent dans le placenta. Elles ont le potentiel de se transformer en certains types de cellules ;
cellules souches adultes : elles se trouvent dans les tissus, du fœtus à l'âge adulte. Ces cellules sont spécifiques à un tissu ou à un organe et leurs rôles sont l'entretien et la réparation.
Différenciation cellulaire
Les organismes unicellulaires réalisent eux-mêmes toutes leurs fonctions essentielles. Bien que les fonctions qu'ils remplissent puissent être adéquates, ils ne peuvent pas être efficaces dans l'exécution de toutes les fonctions. Cela est dû au fait que chaque fonction nécessite un type différent de structure et de mécanisme cellulaire.
Aucune cellule ne peut fournir les meilleures conditions pour toutes les fonctions. Dans les organismes multicellulaires, chaque cellule se spécialise de diverses manières pour remplir une fonction particulière, et les adaptations qu'elles acquièrent leur assurent une efficacité maximale dans leurs fonctions.
Les cellules spécialisées sont le résultat de la différenciation des cellules souches. Dans la plupart des organismes multicellulaires, y compris l'homme, toutes les cellules sont dérivées d'un ovule fécondé appelé zygote. Au premier stade du développement, le zygote subit de multiples divisions mitotiques formant une boule de cellules identiques (morula). Au fur et à mesure que l'organisme se développe et que les cellules arrivent à maturité, elles modifient le profil des gènes qu'elles expriment et deviennent donc différentes les unes des autres.
Il est important de noter que toutes les cellules d'un organisme contiennent le même génome, mais qu'elles en expriment des parties différentes.
Certains gènes sont exprimés dans presque toutes les cellules. Il s'agit des gènes qui codent pour des molécules essentielles telles que les enzymes de la respiration cellulaire et les enzymes impliquées dans la transcription et la traduction. D'autres gènes ne sont exprimés que dans des cellules spécifiques et sont désactivés dans les autres cellules.
Par exemple, le gène de l'insuline n'est exprimé que dans les cellules bêta des îlots de Langerhans dans le pancréas. Un autre exemple serait celui des cellules du mésophylle des plantes qui se spécialisent dans la photosynthèse. Pour leur différenciation, les gènes nécessaires à la photosynthèse sont exprimés, tandis que d'autres gènes non nécessaires sont désactivés, car leur expression serait inutile et réduirait l'efficacité des cellules du mésophylle.
Examinons les globules rouges spécialisés et la manière dont le processus de leur différenciation à partir de cellules souches augmente la quantité d'oxygène qu'ils peuvent transporter vers d'autres tissus et organes.
Cellules souches hématopoïétiques et érythropoïèse
Les érythrocytes (globules rouges) possèdent des adaptations spécifiques pour remplir une fonction précise en tant que cellules spécialisées, contrairement aux cellules souches, qui ne possèdent que le fonctionnement de base d'une cellule.
Au cours du processus d'érythropoïèse, les cellules souches hématopoïétiques se différencient et adoptent différentes formes et caractéristiques en devenant des érythrocytes.
L'érythropoïèse (« érythro » signifiant « rouge » + « poïèse » signifiant « fabriquer ») est le processus qui produit des globules rouges matures à partir des cellules souches hématopoïétiques de la moelle osseuse.
Les cellules souches hématopoïétiques sont des cellules qui peuvent se différencier et se développer en tous les types de cellules sanguines, comme les globules blancs, les globules rouges et les plaquettes.
Ces changements comprennent :
la perte de leur noyau et de leurs mitochondries pour créer plus d'espace pour l'hémoglobine, qui est la principale protéine porteuse d'oxygène dans les érythrocytes ;
une augmentation de la concentration d'hémoglobine dans la cellule pour assurer une capacité maximale de transport de l'oxygène ;
l'adoption d'un cytosquelette spécifique qui donne aux érythrocytes une structure biconcave leur conférant une plus grande surface pour les échanges gazeux et une flexibilité accrue pour se déplacer dans les vaisseaux sanguins étroits.
Ces adaptations améliorent la capacité des cellules spécialisées à remplir leurs fonctions. Dans cet exemple particulier, les adaptations des érythrocytes leur permettent de capter efficacement l'oxygène dans les poumons, de se déplacer dans les vaisseaux sanguins étroits et de transmettre leur oxygène aux tissus et organes qui en ont besoin.
Fig. 1 - Diagramme illustrant le processus d'érythropoïèse dans la moelle osseuse
Propriétés des cellules souches
Chez les mammifères, seules quelques cellules conservent la capacité de se diviser et de se différencier en cellules spécialisées. Après la différenciation, la plupart des cellules spécialisées perdent la capacité de proliférer. Cela entraîne un risque accru de dommages permanents après une blessure, en particulier dans des tissus tels que le cerveau et le cœur.
Les neurones et les cardiomyocytes sont des cellules permanentes sans propriétés prolifératrices et ne peuvent donc pas régénérer de nouvelles cellules pour remplacer les cellules endommagées. En conséquence, les dommages causés par un accident vasculaire cérébral ou un infarctus du myocarde sont irréversibles et peuvent donc mettre la vie en danger.
Les cardiomyocytes sont les cellules du muscle de la paroi cardiaque qui se contractent dans un cœur sain.
Chaque organisme à des capacités régénératrices différentes. Le poisson zèbre, par exemple, est capable de régénérer les cellules de son muscle cardiaque en cas de blessure, ce qui est impossible chez les humains !
Les cellules souches ont deux propriétés principales :
elles ont une grande capacité à se différencier en cellules plus spécialisées ;
elles ont la capacité de s'auto-renouveler, c'est-à-dire qu'elles continuent à produire des cellules souches. Cette propriété est appelée « potentiel de différenciation ».
Le potentiel de différenciation est la capacité d'une cellule souche à se différencier en différents types de cellules spécialisées.
Types de cellules souches
Il existe plusieurs types de cellules souches, chacune possédant un potentiel différent. Passons chaque type en revue (figure 2).
Fig. 2 - Diagramme montrant la hiérarchie de potentiels de différenciation entre les cellules souches
Cellules souches totipotentes
Les cellules souches totipotentes ont la capacité de devenir n'importe quelle cellule du corps. Cela signifie qu'elles ont la capacité de former un organisme complet. On ne les trouve que dans les premiers stades du développement embryonnaire. Un exemple de cellule souche totipotente est le zygote lui-même.
Cellules souches pluripotentes
Les cellules souches pluripotentes se trouvent dans l'embryon et peuvent se différencier en presque tous les types de cellules. Cependant, elles n'ont pas la capacité de former les cellules qui composent le placenta. Les cellules souches fœtales sont un exemple de cellules souches pluripotentes.
Cellules souches multipotentes
Les cellules souches multipotentes se trouvent chez les adultes et peuvent se différencier en diverses cellules, mais sont limitées dans leur capacité. Elles se développent généralement en cellules d'un type particulier. Par exemple, les globules rouges et les globules blancs peuvent être formés à partir de cellules souches multipotentes appelées cellules souches hématopoïétiques que l'on trouve dans la moelle osseuse.
Cellules souches unipotentes
Les cellules souches unipotentes ne peuvent se différencier qu'en un seul type de cellule, d'où le terme « uni ». Elles sont dérivées de cellules souches multipotentes et sont présentes dans certains tissus adultes à des fins de régénération.
L'image ci-dessous montre les types de cellules souches et les parties du corps dans lesquelles elles peuvent s'avérer utiles.
Fig. 3 - Application potentielle de cellules souches humaines à la production de cellules différenciées pouvant être utilisées à des fins thérapeutiques
Peux-tu deviner le potentiel de différenciation des cellules souches embryonnaires ?
Si tu as répondu cellules pluripotentes, tu as complètement raison !
Les cellules souches embryonnaires sont pluripotentes, ce qui signifie qu'elles ont la capacité de se différencier en cellules des trois couches germinales (endoderme, mésoderme et ectoderme), mais pas en cellules qui forment le placenta ou d'autres annexes embryonnaires.
Les cellules souches embryonnaires sont dérivées de la masse cellulaire interne d'un blastocyste, qui est un stade précoce du développement embryonnaire. À ce stade, les cellules sont considérées comme pluripotentes, car elles ont le potentiel de donner naissance à toutes les cellules de l'organisme, à l'exception des cellules qui formeront le placenta et les annexes embryonnaires.
En revanche, les cellules totipotentes ont la capacité de se différencier en tous les types de cellules. Les cellules totipotentes se trouvent dans les premières divisions cellulaires après la fécondation, y compris dans le zygote et les cellules de la morula.
Thérapie cellulaire
Les thérapies à base de cellules souches ont le potentiel de sauver des vies et d'améliorer la qualité de vie de nombreuses personnes. En effet, les cellules souches peuvent se diviser en une grande variété de types de cellules différenciées et peuvent donc être utilisées pour remplacer les cellules endommagées par des blessures ou des maladies.
Les cellules souches de la moelle osseuse, appelées cellules souches hématopoïétiques, peuvent se diviser pour produire d'autres cellules sanguines (globules blancs, globules rouges, etc.). Ces cellules souches sont utilisées pour traiter les maladies du système immunitaire et les maladies affectant le sang, comme la leucémie.
Chez les patients atteints de leucémie, certaines cellules sanguines se divisent de manière incontrôlée dans leur moelle osseuse. Cela limite la capacité des cellules souches hématopoïétiques à produire suffisamment de cellules sanguines.
Le traitement des patients atteints de leucémie comprend la chimiothérapie et la radiothérapie, qui ciblent toutes deux les cellules leucémiques. Ensuite, d'autres cellules souches hématopoïétiques peuvent être placées (implantées) dans la moelle osseuse pour produire une quantité normale et saine de sang.
Greffe de cellules souches
Le déficit immunitaire combiné sévère (DICS) est une maladie génétique qui affecte les réponses immunitaires médiées par les lymphocytes B et T. Les patients souffrant de DICS ont donc un système immunitaire très faible. Leurs lymphocytes sont incapables de créer suffisamment d'anticorps ou n'ont pas les bons anticorps pour combattre et se défendre contre la menace d'un agent pathogène.
Par conséquent, les personnes souffrant de DICS sont très vulnérables aux infections. Même les infections qui ne sont généralement pas considérées comme graves sont susceptibles de mettre en danger la vie des patients atteints de DICS.
Le DICS peut être traité par une greffe de moelle osseuse. Cette greffe remplace la moelle osseuse défectueuse par la moelle osseuse du donneur qui contient des cellules souches dépourvues des gènes défectueux à l'origine du DICS. Les cellules souches saines de la moelle osseuse se différencient alors pour produire des lymphocytes fonctionnels qui peuvent ensuite produire les anticorps nécessaires pour combattre et se défendre contre les agents pathogènes, de sorte que le système immunitaire fonctionne normalement.
Cellules souches pluripotentes induites
Les cellules souches pluripotentes induites (CSPi) sont produites artificiellement en laboratoire à partir de cellules souches unipotentes.
Le processus de fabrication des cellules souches pluripotentes induites consiste à ajouter des facteurs de transcription spécifiques à des cellules déjà spécialisées, qui sont ensuite « reprogrammées » en cellules souches pluripotentes. Les facteurs de transcription spécifiques utilisés dans ce processus amènent les cellules spécialisées à exprimer des gènes associés à la pluripotence.
En conséquence, les CSPi présentent des caractéristiques similaires à celles des cellules souches embryonnaires et sont donc capables de s'auto-renouveler et de se différencier en presque toutes les cellules du corps humain.
Les CSPi jouent un rôle majeur dans la médecine régénérative. Les CSPi dérivées des cellules d'un patient peuvent être utilisées pour remplacer des cellules endommagées ou créer de nouveaux tissus, voire des organes.
Les CSPi peuvent être utilisées pour recréer des greffes de peau pour traiter les brûlures ou remplacer les neurones endommagés dans les maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson.
Fascinant ! N'est-ce pas ?
Comme les cellules sont dérivées des propres cellules du patient, il n'y a aucun risque de rejet des cellules par le système immunitaire du patient. Par conséquent, l'utilisation des CSPi entraîne moins de complications et soulève moins de questions éthiques que l'utilisation des cellules souches embryonnaires.
La recherche sur les cellules souches embryonnaires soulève certains problèmes éthiques, car elle implique l'obtention de cellules souches à partir d'embryons créés par FIV (ou fécondation in vitro). Cette procédure entraîne la destruction d'un embryon qui a le potentiel de devenir un fœtus s'il est placé dans un utérus.
Fig. 4 - Le processus global de génération de cellules souches pluripotentes induites à partir de cellules différenciées
Cellules souches mésenchymateuses
Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont des cellules souches adultes qui peuvent se différencier en diverses cellules spécialisées dans le tissu mésenchymateux, telles que le cartilage, l'os et le tissu adipeux.
Les CSM sont présentes dans différents tissus, tels que la moelle osseuse, le sang de cordon ombilical, le tissu adipeux et d'autres tissus conjonctifs. En raison de leur potentiel thérapeutique pour le traitement de diverses maladies et blessures, les CSM ont suscité un grand intérêt.
Différenciation des CSM et utilisation thérapeutique
Les CSM sont connues pour leur capacité à se différencier en différentes lignées cellulaires, ce qui les rend utiles pour la régénération tissulaire et la réparation des lésions. Les CSM peuvent donc être utilisées pour traiter un certain nombre de maladies et de conditions, telles que les lésions de la moelle épinière, les maladies cardiaques, les maladies neurodégénératives et les maladies auto-immunes. Des essais cliniques ont également été réalisés pour évaluer l'utilisation des CSM dans le traitement des lésions osseuses, des maladies inflammatoires de l'intestin et d'autres conditions.
Traitement d'autres maladies à l'aide de cellules souches
Les cellules souches peuvent être utilisées pour créer des cellules spécialisées capables de traiter toute une série de maladies et de blessures humaines. Voici quelques-unes des utilisations des cellules spécialisées dérivées de cellules souches :
les cellules des muscles squelettiques peuvent être utilisées pour traiter des maladies telles que la dystrophie musculaire ;
les cellules bêta du pancréas peuvent être utilisées pour traiter le diabète de type 1 ;
les neurones peuvent être utilisés pour traiter des maladies neurodégénératives telles que les maladies de Parkinson et d'Alzheimer ;
les cellules épidermiques de la peau peuvent être utilisées dans le traitement des brûlures et des blessures, car elles forment la couche externe de la peau qui est endommagée dans ces blessures ;
les cellules de la rétine de l'œil peuvent être transplantées dans les yeux des patients atteints de dégénérescence maculaire.
Cellule souche - Points clés
- Les cellules souches sont des cellules qui peuvent se différencier en différents types de cellules.
- Elles ont plusieurs origines : les cellules souches embryonnaires, les cellules souches du placenta, les cellules souches du sang du cordon ombilical et les cellules souches adultes.
- Il existe quatre types de cellules souches :
- les cellules souches totipotentes ;
- les cellules souches pluripotentes ;
- les cellules souches multipotentes ;
- les cellules souches unipotentes.
- Les cellules souches pluripotentes induites (CSPi) sont produites à partir de cellules souches unipotentes auxquelles on introduit des facteurs de transcription spécifiques pour leur donner la capacité de devenir pluripotentes. Ces cellules peuvent remplacer la recherche sur les cellules souches embryonnaires et peuvent être utilisées pour régénérer des tissus endommagés.
- Les cellules souches peuvent être utilisées dans le cadre de la médecine régénérative et peuvent traiter de nombreuses maladies, comme le DICS, la leucémie et la maladie de Parkinson.
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