La conversion d'un type de cellule en une autre – par exemple, une cellule cutanée en neurone – peut être effectuée par un processus qui nécessite que la cellule cutanée soit induite dans une cellule souche « pluripotente », puis différenciée en un neurone. Les chercheurs du MIT ont maintenant conçu un processus simplifié qui contourne le stade des cellules souches, convertissant une cellule cutanée directement en neurone.
En travaillant avec des cellules de souris, les chercheurs ont développé une méthode de conversion qui est très efficace et peut produire plus de 10 neurones à partir d'une seule cellule cutanée. S'il est reproduit dans les cellules humaines, cette approche pourrait permettre la génération de grandes quantités de motoneurones, ce qui pourrait potentiellement être utilisé pour traiter les patients atteints de lésions de la moelle épinière ou de maladies qui nuisent à la mobilité.
Nous avons pu obtenir des rendements où nous pourrions nous demander si ces cellules peuvent être des candidats viables pour les thérapies de remplacement des cellules, ce que nous espérons être. C'est là que ces types de technologies de reprogrammation peuvent nous emmener. «
Katie Galloway, professeur de développement de carrière WM Keck en génie biomédical et génie chimique
En première étape vers le développement de ces cellules en tant que thérapie, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient générer des motoneurones et les greffer dans le cerveau de la souris, où ils se sont intégrés au tissu hôte.
Galloway est l'auteur principal de deux articles décrivant la nouvelle méthode, qui apparaît aujourd'hui dans Systèmes cellulaires. L'étudiant diplômé du MIT, Nathan Wang, est l'auteur principal des deux articles.
De la peau aux neurones
Il y a près de 20 ans, les scientifiques du Japon ont montré qu'en fournissant quatre facteurs de transcription aux cellules de la peau, ils pouvaient les amadouer pour devenir des cellules souches pluripotentes induites (IPSC). Semblable aux cellules souches embryonnaires, les IPSC peuvent être différenciés en de nombreux autres types de cellules. Cette technique fonctionne bien, mais cela prend plusieurs semaines, et de nombreuses cellules ne finissent pas par transiter pleinement vers des types de cellules matures.
« Souvent, l'un des défis de la reprogrammation est que les cellules peuvent rester coincées dans les états intermédiaires », explique Galloway. « Donc, nous utilisons une conversion directe, où au lieu de passer par un intermédiaire IPSC, nous allons directement d'une cellule somatique à un motoneurone. »
Le groupe de recherche de Galloway et d'autres ont déjà démontré ce type de conversion directe, mais avec des rendements très faibles – moins de 1%. Dans les travaux précédents de Galloway, elle a utilisé une combinaison de six facteurs de transcription plus deux autres protéines qui stimulent la prolifération cellulaire. Chacun de ces huit gènes a été délivré à l'aide d'un vecteur viral séparé, ce qui rend difficile de s'assurer que chacun a été exprimé au bon niveau dans chaque cellule.
Dans le premier du nouveau Systèmes cellulaires Les articles, Galloway et ses élèves ont signalé un moyen de rationaliser le processus afin que les cellules cutanées puissent être converties en motoneurones en utilisant seulement trois facteurs de transcription, ainsi que les deux gènes qui conduisent les cellules dans un état très prolifératif.
À l'aide de cellules de souris, les chercheurs ont commencé avec les six facteurs de transcription d'origine et ont expérimenté les abandonnant, un à la fois, jusqu'à ce qu'ils atteignent une combinaison de trois – NGN2, ISL1 et LHX3 – qui pourraient terminer avec succès la conversion en neurones.
Une fois que le nombre de gènes était tombé à trois, les chercheurs ont pu utiliser un seul virus modifié pour les livrer tous les trois, ce qui leur permet de s'assurer que chaque cellule exprime chaque gène aux niveaux corrects.
À l'aide d'un virus séparé, les chercheurs ont également livré des gènes codant pour P53DD et une version mutée d'ARM. Ces gènes poussent les cellules de la peau à diviser plusieurs fois avant de commencer à se convertir en neurones, permettant un rendement beaucoup plus élevé de neurones, environ 1 100%.
« Si vous deviez exprimer les facteurs de transcription à des niveaux vraiment élevés dans les cellules non prolifératives, les taux de reprogrammation seraient vraiment faibles, mais les cellules hyperprolifératives sont plus réceptives. C'est comme s'ils avaient été potentialisés pour la conversion, puis ils deviennent beaucoup plus réceptifs aux niveaux des facteurs de transcription », dit Galloway.
Les chercheurs ont également développé une combinaison légèrement différente de facteurs de transcription qui leur ont permis d'effectuer la même conversion directe à l'aide de cellules humaines, mais avec un taux d'efficacité inférieur – entre 10 et 30%, les chercheurs estiment. Ce processus prend environ cinq semaines, ce qui est légèrement plus rapide que de convertir les cellules en IPSC d'abord, puis de les transformer en neurones.
Implanter les cellules
Une fois que les chercheurs ont identifié la combinaison optimale de gènes à livrer, ils ont commencé à travailler sur les meilleures façons de les livrer, ce qui était au centre de la seconde Systèmes cellulaires papier.
Ils ont essayé trois virus de livraison différents et ont constaté qu'un rétrovirus avait atteint le taux de conversion le plus efficace. La réduction de la densité des cellules cultivées dans le plat a également contribué à améliorer le rendement global des motoneurones. Ce processus optimisé, qui prend environ deux semaines dans les cellules de souris, a atteint un rendement de plus de 1 000%.
En travaillant avec des collègues de l'Université de Boston, les chercheurs ont ensuite testé si ces motoneurones pouvaient être greffés avec succès chez des souris. Ils ont livré les cellules à une partie du cerveau connue sous le nom de striatum, qui est impliquée dans le contrôle moteur et d'autres fonctions.
Après deux semaines, les chercheurs ont constaté que de nombreux neurones avaient survécu et semblaient établir des liens avec d'autres cellules cérébrales. Lorsqu'ils sont cultivés dans un plat, ces cellules ont montré une activité électrique mesurable et une signalisation en calcium, suggérant la capacité de communiquer avec d'autres neurones. Les chercheurs espèrent maintenant explorer la possibilité d'implanter ces neurones dans la moelle épinière.
L'équipe du MIT espère également augmenter l'efficacité de ce processus de conversion des cellules humaines, ce qui pourrait permettre la génération de grandes quantités de neurones qui pourraient être utilisés pour traiter les lésions de la moelle épinière ou les maladies qui affectent le contrôle moteur, comme la SLA. Des essais cliniques utilisant des neurones dérivés des IPSC pour traiter la SLA sont maintenant en cours, mais l'expansion du nombre de cellules disponibles pour de tels traitements pourrait faciliter les tests et les développer pour une utilisation plus répandue chez l'homme, dit Galloway.
La recherche a été financée par le National Institute of General Medical Sciences et le programme de bourses de recherche diplômée de la National Science Foundation.
