Reconstitution d’une « niche » et « homing »

2.6.1.2. Reconstitution d’une « niche » et « homing »

Les cellules ont un réel besoin de s’ancrer et de communiquer avec leur environnement. Les ASCs sont en effet des cellules adhérentes qui ne peuvent proliférer et survivre que si elles s’attachent à un support.

Or les ASCs subissent plusieurs « attaques » avant même d’être réinjectées. Elles sont d’abord extraites de leur propre environnement, ou « niche », puis elles sont malmenées dans le processus de purification cellulaire, notamment au contact de la collagénase. En effet, dès la digestion du tissu adipeux pour récupérer la SVF, les cellules se retrouvent sans matrice, seules, isolées, et en quelque sorte « flottantes », en suspension. Puis elles subissent une

leur environnement d’origine, dans lequel on leur demande de survivre et d’être métaboliquement actives pour régénérer un tissu.

La notion de « niche » est un concept récent qui a permis de décrire ces microenvironnements cellulaires (Scadden 2006; Ema and Suda 2012).

Les niches cellulaires sont des compartiments fonctionnels au sein des tissus qui contrôlent le nombre de cellules en fournissant des signaux qui régulent l’auto-renouvellement des cellules, la différenciation et la quiescence* (Scadden 2006). Ces signaux peuvent être transmis via un contact cellulaire direct, ou via des facteurs de croissance et des cytokines, ou via des composants de la matrice extracellulaire (MEC).

Les niches de cellules souches sont des microenvironnements dynamiques et complexes. Elles procurent un ensemble de signaux physiques et chimiques qui participent à la régénération tissulaire (Figure 25).

Figure 25 : Niche de cellules souches. Le microenvironnement dans lequel sont situées les cellules souches

constitue une « niche ». Les cellules interagissent avec les éléments de leur microenvironnement composé de différentes cellules, de vaisseaux sanguins, de facteurs solubles (image de www.articell.eu).

Ces niches de cellules souches sont de plus en plus étudiées (notamment au niveau de la peau, de la moelle osseuse, de l’épithélium intestinal) pour permettre de mieux comprendre

l’ensemble des signaux nécessaires à la régénération tissulaire. Par exemple, des études suggèrent que les stratégies utilisant des cellules souches pour l'ingénierie cutanée doivent tenir compte des caractéristiques complexes moléculaires et biologiques de ces niches (gradients physico-chimiques, composants de la matrice extracellulaire, cellules résidentes). Des systèmes innovateurs de biomatériaux reproduisant ces microenvironnements pourraient faciliter la réparation et la régénération de la peau par le biais des cellules progénitrices (Wong, Levi et al. 2012).

Le but étant d’améliorer la réponse, la migration et la prolifération cellulaire, les cellules souches doivent s’adapter aux changements environnementaux. Mais l’adaptation des cellules souches réinjectées dans un nouvel environnement constitue un véritable challenge.

Il est dans les pensées que les cellules souches ne peuvent pas survivre et fonctionner correctement en l’absence d’un substrat adéquat, de facteurs de croissance et de cellules de soutien. De nouvelles stratégies de bio-ingénierie consistent ainsi à reconstituer des « niches » indispensables au bon fonctionnement des cellules souches.

Ces nouvelles stratégies tentent de recréer les éléments constitutifs essentiels (cellules, matrice, facteurs de croissance et échafaudages ou « scaffolds ») à l’aide de biomatériaux (hydrogel, matrices, microparticules, polymères) (Merceron, Vinatier et al. 2008; Kuo, Marturano et al. 2010; Lampe and Heilshorn 2012). Le but de ces stratégies est de créer des substituts d’ingénierie qui interagissent avec les cellules à l'échelle moléculaire et permettent de déclencher des modifications de la matrice extracellulaire et de favoriser la régénération de tissus lésés.

A titre d’exemple, des biomatériaux et des « bio-facteurs » sont testés pour la réparation du cartilage articulaire en combinaison avec les cellules souches du tissu adipeux (Merceron, Vinatier et al. 2008; Vinatier, Mrugala et al. 2009; Merceron, Portron et al. 2012).

Les PAMs (« pharmacologically active microcarriers ») représentent un autre exemple de biomatériaux intéressants pour l’ingénierie tissulaire (Karam, Muscari et al. 2012). Ces microparticules polymériques offrent un support aux cellules souches qui peuvent s’y fixer. De plus, ces polymères sont biodégradables et peuvent contenir un facteur spécifiquement favorable à la régénération d’un tissu, tel un facteur de croissance comme VEGF (Musilli, Karam et al. 2012), ou un facteur de différenciation comme TGF (Bouffi, Thomas et al. 2010) (Figure 26).

Figure 26 : Principe des PAMs. Ces microparticules sont entourées par un revêtement mimant la matrice

extracellulaire (laminine ou fibronectine), permettant aux cellules souches de se fixer via des molécules d’adhésion cellulaire, les intégrines, qui sont reliées aux filaments d’actine et de myosine, lesquels permettent l’organisation du cytosquelette. Les cellules se retrouvent alors en contact les unes aux autres, pouvant ainsi communiquer entre elles (jonctions intercellulaires type « gap junctions », connexines). En plus des facteurs de croissance sécrétés par les cellules elles-mêmes, des facteurs de croissance et de différenciation peuvent être empaquetés à l’intérieur des PAMs et libérés lors de leur biodégradation, favorisant ainsi la survie des cellules et leur différenciation. Abréviations : PAM, « pharmacologically active microcarrier » ; ECM, « extracellular matrix » ; GF, « growth factor ». Reproduit de (Karam, Muscari et al. 2012).

Mais alors qu’il paraît nécessaire de recréer un environnement propice, nous verrons dans le troisième chapitre que les ASCs semblent capables de synthétiser des éléments de MEC favorables à la régénération des tendons.

Outre leur fonction dans l’auto-renouvellement et dans la différenciation des cellules (balance entre quiescence, prolifération et différenciation), les niches ont également un rôle dans l’ancrage (ou l’adhésion) et la migration des CSM.

D’une part, les contacts cellule-cellule et cellule-MEC sont indispensables. Les jonctions intercellulaires sont formées par des protéines transmembranaires, les cadhérines, et l’ancrage des cellules à la MEC (membrane basale) est assuré par des intégrines (Raymond, Deugnier et al. 2009).

D’autre part, les CSM, dont les ASCs, sont en effet capables de migrer vers le site de lésion et de s’y installer. Ce phénomène est appelé « homing » (« domiciliation ») et représente encore une autre capacité des cellules souches qui répondent et s’adaptent à leur environnement, pour finalement se sentir « comme chez elles ».

De nombreuses études ont montré que les CSM sont capables de migrer vers un site de lésion via la circulation sanguine, en réponse à des signaux régulés positivement (« up-régulés ») dans des conditions pathologiques (Chamberlain, Fox et al. 2007; Augello, Kurth et al. 2010). Les cytokines chimio-attractantes (les chimiokines) et leurs récepteurs sont impliqués dans le recrutement des cellules souches au niveau du tissu lésé.

Mais ce phénomène est encore mal compris et il reste des questions en suspens, notamment concernant la diapédèse* à travers la couche de cellules endothéliales : comment les CSM font-elles pour passer dans la circulation sanguine et retraverser pour arriver au site de lésion ? Pour expliquer cela, certains se sont basés sur la migration des leucocytes dans la circulation sanguine pour atteindre un site d’inflammation : ceux-ci « roulent » sur la paroi vasculaire (phénomène de « rolling » le long de l’endothélium), guidés par des chimiokines à la surface des cellules endothéliales, puis passent entre ces cellules pour sortir des vaisseaux sanguins (Chamberlain, Fox et al. 2007).

Parmi les chimiokines probablement impliquées dans la migration des ASCs, le couple SDF-1 (« Stromal cell-Derived Factor-1 ») et son récepteur CXCR4 (« C-X-C chemokine receptor

souches de la moelle osseuse. L’expression de SDF-1 est augmentée dans les sites de lésion et sert de facteur chimiotactique puissant, permettant le recrutement des CSM qui expriment le récepteur CXCR4 (Bobis-Wozowicz, Miekus et al. 2011).

Des études portant sur l’infusion systémique (injection intraveineuse) de BMSCs ont d’ailleurs montré que ces cellules ciblaient le tissu lésé (tissu ischémique) via SDF-1 et CXCR4 (Bobis-Wozowicz, Miekus et al. 2011). D’autres cellules expriment ce type de récepteur à leur surface, comme les cellules souches rénales qui expriment les récepteurs CXCR4 et CXCR7 (Mazzinghi, Ronconi et al. 2008).

Les ASCs ont également fait l’objet d’études pour vérifier leur potentiel de migration. Alors que de nombreuses études ont rapporté l’efficacité de l’injection systémique de BMSCs, ces cellules étant notamment capables de migrer via la circulation sanguine vers une zone du cœur ayant subi un infarctus (Saito, Kuang et al. 2002), les ASCs ont elles aussi montré leur potentiel lorsqu’elles sont administrées de manière systémique. Une étude récente montre par exemple la capacité des ASCs à cibler le tissu endommagé de la muqueuse nasale lorsqu’elles sont injectées en intraveineuse dans un modèle animal de rhinite allergique (Cho, Park et al. 2009).

En fonction de divers facteurs de croissance et de chimiokines, les ASCs ont en effet révélées leur capacité à migrer et expriment divers récepteurs aux chimiokines, dont CCR1 (« C-C chemokine receptor type 1 »), CCR7, CXCR4, CXCR5, CXCR6, ainsi que des récepteurs aux facteurs de croissance EGF, FGF, TGF- , TNF, et PDGF (Baek, Kang et al. 2011).

En « jouant » sur ces différentes molécules, une modulation in vitro de cette capacité de « homing » pourrait favoriser le potentiel thérapeutique des ASCs injectés en intraveineuse, en stimulant leur migration vers le site de lésion (Wagner, Kean et al. 2009).

2.6.2. Protection des cellules contre les agressions liées au prélèvement et à la