Origines des cellules souches mésenchymateuses, phénotype et différenciation

Les cellules souches mésenchymateuses, MSC, sont des cellules non hématopoïétiques issues de la moelle osseuse, pouvant être isolées à partir d’autres tissus, comme le muscle, le tissu adipeux, le foie, le cordon ombilical, les membranes fœtales, le cartilage et la peau 129. On identifie les MSC, en culture, sur la base de la co-expression d’un certains nombres de « cluster of différentiation », CD. La société internationale de recherche sur les cellules souches (International Society for Stem Cell Research, ISSCR) admet une définition minimale des cellules souches mésenchymateuses sur l’expression de CD90, CD73 et CD105. Cependant, des définitions phénotypiques plus larges existent dans la littérature. On considère que les MSC expriment : CD29, CD44, CD73, CD90, CD105, CD106, CD166 et Stro1, et n’expriment pas les marqueurs hématopoïétiques tels que CD11b, CD14, CD19, CD34, CD45, et HLA-DR 130. De plus, les MSC expriment le complexe majeur d’histocompatibilité, CMH, de classe 1, mais n’expriment pas le CMH de classe 2 ainsi que les molécules de co-stimulation CD80, CD86, CD40 131. Ce profil d’expression de molécules impliquées dans la discrimination du soi/non-soi facilite la transplantation non allogénique des MSC.

Toutefois, malgré le fait que l’on ait pu isoler des MSC des différents tissus ou organes. Que celles-ci partagent l’expression de certains marqueurs membranaires, il n’en reste pas moins que ces MSC restent une population hétérogène, comprenant de nombreux variants ayant des caractéristiques propres 132. En effet, un certain nombre de laboratoires a pu obtenir, à partir de préparations de MSCs les lignages dits classiques. Comme les ostéoblastes, chondrocytes et adipocytes, mais sont parvenus à générer dans le même temps des lignages non classiques. Par exemple, les MSC seraient capables de se différencier en myocytes, en cellules neuro-ectodermales ou encore, et de façon plus surprenante, en cellules épithéliales 133,134. La régulation moléculaire mise en jeu lors de ces processus de différentiation non-classique reste encore aujourd’hui à éclairer.

Le mode de culture et de propagation des cellules souches mésenchymateuses n’est pas uniforme au sein de la communauté scientifique. Il en résulte une variation sur le

Figure 8: Phénotype et caractère multipotent des cellules souches

mésenchymateuses ou cellules stromales mésenchymateuses.

Panel de gauche, Critères minimaux servant à la définition des cellules souches mésenchymateuses en culture. Panel de droite, la fraction adhérente aux plastiques de culture de différents organes peut donner naissance à des colonies de morphologie fibroblastique. Ce sous type cellulaire, aussi connu sous le nom d’unités formatrice de colonies fibroblastiques (Colony Formation Unit Fibroblasts, CFU-Fs), correspond au moins partiellement à un progéniteur multipotent, très probablement hétérogène en ce qui concerne sa nature et son origine. Ce progéniteur multipotent réside in vivo à proximité des vaisseaux sanguins et exprime des marqueurs spécifiques des péricytes tels que CD146, CSPG4 (Chondroitin Sulfate Proteoglycan 4), le récepteur $ au facteur de croissance dérivé des plaquettes (platelet-derived growth factor receptor-$). Lorsque ces progéniteurs sont cultivés de façon idoine (densité de culture, milieux utilisés!) ils peuvent être conservés sur de multiples générations (flèche arrondie sur le schéma) sans perdre leur caractère multipotent. Ces produits de cultures cellulaires sont classiquement appelés les cellules souches mésenchymateuses. Cependant aujourd’hui il est convenu d’appeler ce type cellulaire « cellule stromale mésenchymateux ». Les lignages classiques de différenciation des MSC comprennent la différenciation en ostéoblastes, adipocytes et chondrocytes. Des différentiations en lignage mature non mésenchymateux telles que les différenciations en cellules musculaires, endothéliales ou encore neuronales ont été décrites. Toutefois ces types de différenciation « non- classique » restent sujet à controverse dans la littérature.

Figures adaptées de Nombela-Arrieta, C.s., Ritz, J. & Silberstein, L.E. The elusive nature and function of mesenchymal stem cells. Nat Rev Mol Cell Biol 12, 126-131 (2011).

phénotype des MSC. Cette variation peut s’expliquer en partie par la formulation du milieu de base, la concentration en glucose, la densité d’ensemencement, l’utilisation ou non de sérum de bœuf ou de veau, le type de plastiques utilisés ou autres 135,136. Le protocole pour isoler les MSC le plus communément admis reste l’isolation de la fraction adhérente de la moelle osseuse. De nombreuses modifications ont malgré tout été apportées à ce protocole afin d’augmenter la pureté et l’efficacité d’isolation : sélection sur billes ou l’utilisation de gradients de densité 137-140. La variété de méthodes utilisées sur une population cellulaire déjà hétérogène peut expliquer la disparité des résultats observés dans la littérature concernant les MSC, et notamment leur implication fonctionnelle dans le stroma tumoral. Elle peut aussi expliquer la difficulté à reproduire les résultats d’un laboratoire à un autre.

Les MSC partagent un certain nombre de gène associé à la pluripotence avec les cellules souches embryonnaires humaines, notamment les facteurs de transcription NANOG, OCT-4 et SOX2 141 ; suggérant que ces trois facteurs puissent être impliqués dans les phénomènes d’auto-renouvellement des MSC 142. En effet, la perte d’expression d’OCT-4 ou de SOX2 corrèle avec la perte d’autorenouvellement, l’induction de la sénescence, la perte de capacité de différentiation des cellules souches mésenchymateuses en culture, confirmant ainsi l’importance de l’expression de ces facteurs de transcription dans les phénomènes d’auto-renouvellement. De la même façon, les MSC maintiennent un phénotype constant et une activité télomérase forte pendant 10-12 générations ou passages, ainsi qu’une forte capacité mitotique pendant 20 à 30 générations ou passages131,143,144. Cependant, au- delà de ces 20-30 passages, le maintien de cette activité mitotique cesse suite à l’augmentation de l’expression et de la sécrétion du Transforming Growth Factor beta 1 (TGFbeta1) et de la mise en place d’une boucle autocrine impliquant le récepteur 1 au TGFbeta (Transforming Growth Factor beta Receptor 1, TGFbetaR1) et une l’une de ses protéines adaptatrices SMAD3 (S-mothers against decapentaplegic homolog 3). Cette mise en route d’une boucle autocrine est concomitante d’un rapide changement morphologique des MSC, d’un raccourcissement des télomères, traduisant des phénomènes de sénescence. Cette induction intrinsèque de sénescence pourrait constituer un obstacle majeur à l’utilisation des MSC en thérapeutique et médecine régénérative 145.