Dans une étude collaborative, des chercheurs de l'Université de Kyushu et de la Harvard Medical School ont identifié des protéines qui peuvent transformer ou « reprogrammer » les fibroblastes – ; les cellules les plus couramment trouvées dans la peau et le tissu conjonctif – ; en cellules ayant des propriétés similaires à celles des cellules progénitrices des membres. Publication dans Cellule de développementles découvertes des chercheurs ont amélioré notre compréhension du développement des membres et ont ouvert la voie à la thérapie régénérative à l'avenir.
Dans le monde, près de 60 millions de personnes vivent avec une perte d’un membre. Les amputations peuvent résulter de diverses conditions médicales telles que des tumeurs, des infections et des malformations congénitales, ou de traumatismes résultant d'accidents industriels, d'accidents de la route et de catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre. Les personnes souffrant de blessures aux membres ont souvent recours à des matériaux synthétiques et à des prothèses métalliques, mais de nombreux chercheurs étudient le processus de développement des membres, dans le but de rapprocher la thérapie régénérative, ou remplacement de tissus naturels, d'un traitement potentiel.
« Au cours du développement des membres chez l'embryon, les cellules progénitrices des membres dans le bourgeon du membre donnent naissance à la plupart des différents tissus des membres, tels que les os, les muscles, le cartilage et les tendons. Il est donc important d'établir un moyen simple et accessible de fabriquer ces cellules », explique le Dr Yuji Atsuta, chercheur principal qui a commencé à s'attaquer à ce projet à la Harvard Medical School et le poursuit en tant que chargé de cours à la Graduate School of Sciences de l'Université de Kyushu.
Actuellement, une manière courante d’obtenir des cellules progénitrices de membres consiste à utiliser directement des embryons, ce qui, dans le cas des embryons humains, soulève des préoccupations éthiques. Alternativement, ils peuvent être fabriqués à l’aide de cellules souches pluripotentes induites – ; des cellules adultes qui sont reprogrammées dans un état embryonnaire et qui peuvent ensuite être amenées à former des types de tissus spécifiques. La nouvelle méthode développée par Atsuta et ses collègues, qui reprogramme directement les cellules fibroblastiques en cellules progénitrices des membres et contourne les cellules souches pluripotentes induites, simplifie le processus et réduit les coûts. Cela atténue également le risque que les cellules deviennent cancéreuses, ce qui se produit souvent avec les cellules souches pluripotentes induites.
Dans la phase initiale de l’étude, les chercheurs ont examiné quels gènes étaient exprimés dans les premiers bourgeons des membres des embryons de souris et de poulet. Presque toutes les cellules du corps, y compris les fibroblastes et les cellules progénitrices des membres, contiennent un ADN génomique identique, mais les différentes propriétés et fonctions de chaque type cellulaire émergent au cours du développement en raison de changements dans l'expression des gènes (en d'autres termes, quels gènes sont actifs et lesquels les protéines sont produites par la cellule). L’expression des gènes est contrôlée dans les cellules par des protéines spécifiques, appelées facteurs de transcription.
Le groupe de recherche a identifié 18 gènes, principalement des facteurs de transcription, qui sont plus fortement exprimés dans le bourgeon précoce du membre que dans d’autres tissus. Ils ont cultivé des fibroblastes provenant d'embryons de souris et ont introduit ces 18 gènes dans les fibroblastes à l'aide de vecteurs viraux afin que les cellules produisent ces 18 facteurs protéiques. Ils ont découvert que les fibroblastes modifiés acquéraient des propriétés et présentaient une expression génique similaire à celle des cellules progénitrices naturelles des membres trouvées dans les bourgeons des membres.
Ensuite, au cours d'une série d'expériences, les chercheurs ont affiné leur sélection et ont déterminé que seuls trois facteurs protéiques étaient essentiels pour reprogrammer les fibroblastes de souris en cellules de type progéniteur de membre : Prdm16, Zbtb16, et Lin28a. Une quatrième protéine, Lin41, a aidé les cellules progénitrices des membres cultivées à croître et à se multiplier plus rapidement.
Les chercheurs ont non seulement confirmé que les cellules progénitrices des membres reprogrammées avaient une expression génétique similaire à celle des cellules progénitrices naturelles des membres, mais qu’elles avaient également une capacité similaire. « Ces cellules reprogrammées ne sont pas seulement des imitations moléculaires ; nous avons confirmé leur potentiel à se développer en tissus spécialisés des membres, à la fois dans des plats de laboratoire (in vitro) et également dans des organismes vivants (in vivo) », explique Atsuta. « Les tests in vivo ont été particulièrement difficiles, car nous avons dû transplanter les cellules de souris reprogrammées dans les bourgeons des membres d'embryons de poulet. »
Dans ces expériences, les chercheurs ont utilisé des lentivirus, qui insèrent des gènes directement dans le génome des cellules infectées, augmentant ainsi le risque que ces cellules deviennent cancéreuses. Au lieu de cela, l’équipe envisage d’autres vecteurs plus sûrs, tels que des virus ou des plasmides adéno-associés, qui transmettent des gènes aux cellules sans insérer de gènes dans le génome.
Le groupe de laboratoire d'Atsuta tente désormais d'appliquer cette méthode aux cellules humaines, pour de futures applications thérapeutiques, ainsi qu'aux serpents, dont les ancêtres avaient des membres qui ont ensuite été perdus au cours de l'évolution.
« Fait intéressant, les cellules progénitrices des membres reprogrammées ont généré des organoïdes ressemblant à des bourgeons de membres, il semble donc possible de générer des tissus de membres chez des espèces qui ne les possèdent plus. L'étude des serpents sans membres peut découvrir de nouvelles voies et connaissances en biologie du développement. »
