Les maladies Tay-Sachs et Sandhoff, les troubles génétiques affectant le cerveau, n'ont pas de traitement efficace et sont généralement mortels au cours des premières années de la vie. Les scientifiques ont estimé que le remplacement des cellules affectées par celles qui sont génétiquement en bonne santé pouvaient ralentir ou arrêter la dégénérescence neuronale qui provoque les symptômes. Mais l'approche a été en proie à des problèmes, notamment une mauvaise greffe dans le cerveau et une réponse greffon vers l'hôte dans laquelle les cellules transplantées attaquent les tissus sains.
Désormais, les chercheurs de Stanford Medicine ont développé un moyen de remplacer plus de la moitié des cellules les plus gravement affectées, appelée microglie, avec des cellules précurseurs non générales chez la souris. Chez les animaux atteints d'une forme de maladie de Sandhoff, l'approche les a aidés à vivre plus longtemps et a considérablement réduit les symptômes comportementaux et moteurs de la maladie.
Si l'approche peut être traduite pour une utilisation chez l'homme, elle pourrait offrir une lueur d'espoir aux familles des enfants atteints de ces maladies rares. Parce qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser les propres cellules d'un patient, l'approche pourrait un jour offrir la possibilité d'une thérapie « standard » qui serait plus rapide et moins chère que le génie génétique sur mesure pour chaque cas.
En utilisant une séquence spécifique d'étapes, nous avons pu réaliser près de 100% d'incorporation de cellules génétiquement saines dans le cerveau des souris tout en évitant à la fois le rejet et la maladie de greffe contre l'hôte, ce qui est largement meilleur que les approches précédentes. De plus, nous avons été stupéfaits de la façon dont cette thérapie a fonctionné. Les souris ont survécu pendant la durée de l'expérience, ont montré une amélioration de la fonction motrice et ont retrouvé des comportements normaux de souris comme l'exploration des espaces ouverts. La différence entre les animaux traités et témoins était dramatique. «
Marius Wernig, MD, PhD
Wernig, un chef de programme à l'Institut de biologie des cellules souches de Stanford et de médecine régénérative, est l'auteur principal de la recherche, qui sera publié le 6 août Nature. L'ancienne érudit postdoctoral Marius Mader, MD, est l'auteur principal de l'étude.
Maladies héritées dévastatrices
Tay-Sachs, qui affecte environ 1 sur 3 700 nouveau-nés d'origine juive ashkénaze, et Sandhoff, qui est beaucoup moins répandu, appartiennent à une classe héritée de maladies appelées troubles du stockage lysosomal. Bien que rares, beaucoup sont dévastateurs, en particulier ceux qui affectent principalement le cerveau. Les nourrissons affectés se développent souvent normalement pendant les premières semaines ou les mois de vie, mais régressent rapidement à mesure que leurs neurones se dégénèrent.
Les bébés nés avec ces troubles ont des mutations dans les gènes pour les enzymes essentielles à la fonction des lysosomes – compartiments de recyclage cellulaire responsables de la rupture de protéines, de glucides et de molécules de graisse qui ne avaient plus besoin de lipides dans des blocs de construction plus petits pour la réutilisation. Si les lysosomes sont incapables de fonctionner, ces molécules s'accumulent à des niveaux dangereux dans la cellule.
Mais il y a un mystère.
« Bien que les symptômes de ces maladies soient dus à la dégénérescence des neurones, les niveaux d'enzymes lysosomales dans les cellules immunitaires voisines appelées microglies sont parfois mille fois plus élevées que dans les neurones », a déclaré Wernig, le savant du Dr Salim et Mme Mary Shelby. Alors, pourquoi les neurones meurent-ils si les microglies sont plus gravement affectées?
L'une des nombreuses fonctions de la microglie est d'engloutir et de décomposer des cellules mortes ou des agents pathogènes dans le cerveau. « Ils sont comme des nettoyeurs professionnels », a déclaré Wernig. « Par conséquent, ils ont un besoin beaucoup plus important de ces enzymes de dégradation que les autres cellules. » Les chercheurs se sont demandé si la restauration des enzymes lysosomales à la microglie pourrait en quelque sorte aider les neurones.
Les tentatives passées pour corriger la carence génétique de la microglie dans les troubles de stockage lysosomale impliquaient une greffe de cellules souches hématopoïétiques (souvent appelée greffe de moelle osseuse) pour redémarrer le système immunitaire du patient, y compris la microglie dans le cerveau. Dans ce type de transplantation, le système immunitaire de la personne est d'abord éliminé avec des médicaments (une étape appelée préconditionnement), puis des précurseurs de cellules immunitaires génétiquement sains sont introduits par voie intraveineuse dans l'espoir qu'ils s'établiront chez le patient et commencent à faire la protéine manquante.
Mais faire entrer les cellules saines dans le cerveau est difficile car le corps restreint étroitement l'accès au système nerveux central. Les autres complications possibles d'une greffe à l'échelle du corps comprennent l'élimination des cellules donneuses par toutes les cellules immunitaires restantes ou, inversement, la maladie du greffon contre l'hôte potentiellement mortelle.
Les recherches du laboratoire de Wernig en 2022 ont montré qu'il est possible d'obtenir une greffe à 90% des cellules donneuses en anéantissant le système immunitaire de l'animal receveur et en les traitant avec un médicament pour tuer des microglies existantes, donnant aux cellules souches hématopoïétiques données un avantage de croissance compétitif. Mais la technique nécessitait toujours un préconditionnement toxique et reposait sur des cellules donneuses génétiquement identiques pour prévenir la maladie du greffon contre l'hôte.
« Une greffe de cellules souches hématopoïétiques est une procédure approximative à traverser », a déclaré Wernig. « Ce n'est pas quelque chose que vous voulez faire à vos patients à moins qu'il n'y ait aucune autre option. »
Une procédure de transplantation ciblée
Dans la présente étude, Mader et Wernig ont testé s'ils pouvaient développer une procédure de transplantation spécifique au cerveau qui éviterait le préconditionnement toxique et les effets à l'échelle du corps d'une greffe de cellules souches hématopoïétiques. À cette fin, ils ont couplé le traitement médicamenteux appauvrant des microglies avec l'irradiation du cerveau pour créer un espace pour que les nouvelles cellules à occuper. Ils ont ensuite injecté des cellules précurseurs de microglies – un sous-ensemble plus spécialisé de cellules souches hématopoïétiques – d'un animal donneur non génétiquement apparié dans le cerveau. Enfin, ils ont administré deux médicaments pour bloquer l'activation des cellules immunitaires d'ailleurs dans le corps qui autrement tueraient les cellules données inégalées.
Ce délicat tango d'étapes a entraîné une greffe efficace des cellules données, qui se sont nichées dans le cerveau et se sont transformées en microglie sans migrer vers le reste du corps ou être attaqué par le système immunitaire de l'animal receveur.
La greffe des cellules durait: plus de 85% des cellules microgliales du cerveau ont été dérivées des cellules données huit mois après la transplantation. Les souris non traitées avec une version de la maladie de Sandhoff vivaient une médiane de 135 jours et aucun animal ne vivait au-delà de 155 jours. En revanche, cinq des animaux traités avec la thérapie de transplantation de microglies spécifique au cerveau ont vécu jusqu'à 250 jours, lorsque l'expérience a été interrompue.
Bien que les souris traitées à longue durée de vie aient finalement développé une paralysie des pattes postérieures, elles ont montré des comportements d'exploration normaux dans un grand stylo ouvert et une plus grande force musculaire et coordination que les animaux témoins.
Une étude plus approfondie de la relation entre la microglie donnée et leurs voisins neuronaux a révélé quelque chose d'intrigant: l'enzyme lysosomale manquante est maintenant fabriquée par la microglie dans les neurones indigènes des animaux. Bien que la raison ne soit pas encore connue, Wernig et Mader soupçonnent que les microglies sont des emballages et sécrétant l'enzyme dans l'espace entre les cellules, où il est importé dans les neurones.
« Cela pourrait être un rôle important et non reconnu pour la microglie: fournir des facteurs lysosomaux à l'environnement, y compris les neurones », a déclaré Wernig.
Les chercheurs sont optimistes, leur approche pourrait être traduite par l'homme car chaque étape individuelle – l'irradiation, l'administration de médicaments utilisées pour anéantir la microglie existante et l'application de médicaments pour empêcher l'attaque immunitaire des cellules données – est déjà utilisée pour traiter d'autres conditions.
« Nous avons résolu trois gros problèmes avec cette étude », a déclaré Wernig. « Nous avons réalisé une transplantation efficace et restreinte du cerveau sans préconditionnement toxique systémique, nous avons pu utiliser des cellules non générales qui ne nécessitent pas de génie génétique pour faire l'enzyme lysosomale manquante, et nous avons évité le rejet immunitaire et la maladie greffon versus-hôte. Nous sommes très heureux. »
Les chercheurs pensent également que la thérapie pourrait être largement applicable.
« Il est possible que ces maladies de stockage lysosomal ne soient qu'une version accélérée de maladies neurodégénératives beaucoup plus courantes comme la Alzheimer ou la Parkinson », a déclaré Wernig. « Si c'est le cas, cette thérapie pourrait être très pertinente non seulement pour un petit sous-ensemble d'enfants, mais pour beaucoup, beaucoup plus de personnes. »
L'étude a été financée par le California Institute for Regenerative Medicine, la German Research Foundation, la New York Stem Cell Foundation, la Robert J. Kleberg Jr. et la Helen C. Kleberg Foundation et le Wu Tsai Neurosciences Institute.
