Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XX - n° 10 - décembre 2016 311
N o u v e a u x c o n c e p t s
Le remplacement des cellules β
pancréatiques : une nouvelle approche thérapeutique pour le traitement
du diabète de type 1
Andhira Vieira*, Noémie Druelle*, Fabio Avolio*, Tiziana Napolitano*, Sergi Navarro- Sanz*, Patrick Collombat*
*
Université Côte d’Azur, Inserm, CNRS, Institut de biologie Valrose-iBV, Nice.
L e diabète est caractérisé par une hyperglycémie chronique causée soit par la perte des cellules β pancréatiques productrices d’insuline à la suite d’une réaction auto-immune (diabète de type 1), soit par l’incapacité de l’insuline à promouvoir efficacement le stockage du glucose du fait du développement d’une insulinorésistance (diabète de type 2). À long terme, ces 2 pathologies entraînent une perte des cellules β pancréatiques. En effet, alors que les patients atteints de diabète de type 1 (DT1) subissent une perte pro- gressive et irréversible de leurs cellules β induisant une hyperglycémie, la résistance à l’insuline observée dans le cadre du diabète de type 2 (DT2) est souvent asso- ciée à terme à une atrophie progressive de la masse de cellules β pancréatiques par augmentation de leur mort cellulaire (1). En conséquence, la restauration de la masse de cellules β pancréatiques apparaît comme une thérapie potentiellement applicable pour le traite- ment de ces 2 formes cliniques de la même pathologie.
Dans ce but, plusieurs stratégie sont développées. Nous présentons ici une revue rapide des recherches les plus prometteuses, en mettant l’accent sur les récents résul- tats obtenus dans notre laboratoire.
Transplantation d’îlots de Langerhans
Parmi les thérapies de remplacement des cellules β pancréatiques, la transplantation d’îlots représente la seule approche qui soit un véritable traitement du DT1 – les injections d’insuline n’étant pas une thérapie à proprement parler, mais plutôt un soin “palliatif” visant à contrer l’hyperglycémie. Mis au point en 2000, le pro- tocole dit d’“Edmonton” consiste en l’isolation d’îlots à partir de donneurs décédés, suivie de leur infusion à travers la veine portale chez des patients diabétiques de type 1, le tout accompagné d’un traitement immuno- suppresseur (2). Ce protocole ne cesse depuis d’être
amélioré, l’American Diabetes Association faisant état, en juin 2016, d’un taux de réussite très encourageant avec environ 70 % des patients greffés ne nécessitant plus d’injections d’insuline au bout de 2 ans (3).
Bien que très séduisante d’un point de vue thérapeu- tique, les nombreux obstacles associés à cette pratique (manque de donneurs, immunosuppression et ses conséquences à moyen et à long terme) en font un traitement qui ne peut être envisagé de façon systé- matique, comme résumé dans une analyse récente du Dr D.M. Harlan (4).
Les cellules souches en tant que source de cellules β pancréatiques
L’idée de générer des cellules productrices d’insuline à partir de cellules multi- ou totipotentes pour soigner le DT1 offre des perspectives fascinantes. En effet, le
» De nos jours, les injections d’insuline exogène représentent la meilleure approche pour soigner les patients atteints de diabète de type 1. Cependant, malgré ces traitements, des complications cardiovasculaires peuvent survenir. La découverte d’une thérapie alternative est donc devenue une question de santé publique majeure. Dans ce but, de nombreux laboratoires de recherche, dont le nôtre, s’attachent à mettre au point des thérapies de remplacement des cellules β pancréatiques. Parmi les résultats récents les plus prometteurs, la différentiation des cellules souches et la conversion des cellules pancréatiques endogènes en cellules β font partie des protocoles pouvant être envisagés pour restaurer la masse de cellules β chez les patients diabétiques.
Mots-clés : Cellules β – Transplantation – Transdifférenciation – Diabète de type 1 – Cellules souches.
R ésum é
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Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XX - n° 10 - décembre 2016 312
N o u v e a u x c o n c e p t s
diabète représente un exemple idéal des patholo- gies qui pourraient théoriquement être traitées grâce aux cellules souches, le remplacement d’un seul type cellulaire étant nécessaire et suffisant pour contrer tous les symptômes de la maladie. En remplaçant les cellules β pancréatiques manquantes, la produc- tion d’insu line serait ainsi restaurée et le pancréas, de nouveau capable de contrôler la glycémie des patients. Dans ce but, de nouveaux protocoles de différenciation de cellules souches en cellules β simi- laires sont publiés chaque année et les progrès sont immenses : certaines de ces cellules sont désormais capables de contrer un diabète d’origine génétique ou induit chimiquement après transplantation chez la souris (5, 6).
Même si les contraintes liées à la transplantation restent les mêmes que dans le cas de la greffe d’îlots, les cel- lules souches présentent l’avantage de constituer une source potentiellement illimitée de cellules sécrétrices d’insuline. De plus, certains dispositifs d’encapsulation capables de filtrer le glucose et les hormones tout en empêchant la réaction auto-immune propre au DT1 sont à l’étude (7), l’ensemble de ces avancées permettant d’envisager de plus en plus sérieusement ces stratégies comme applicables à l’homme.
Cependant, de nombreux progrès restent à accomplir et il est notamment indispensable de pouvoir éliminer tout risque tumorigénique lié au haut potentiel prolifératif des cellules souches.
Utilisation de cellules pancréatiques endogènes
En parallèle des études menées sur la différenciation des cellules souches, la recherche s’est également inté- ressée aux mécanismes impliqués dans la néogenèse des cellules β pancréatiques, notamment au cours du développement embryonnaire du pancréas, dans le but de les mimer ou de les réactiver. Au cours de ces investigations, il fut démontré que le pancréas pos- sède en fait une formidable capacité de régénération intrinsèque.
Anatomie du pancréas
Le pancréas est constitué de 2 tissus, exocrine et endo- crine, de nature histologique différente. Le tissu exo- crine comprend les cellules acinaires, qui produisent des enzymes digestives, et les cellules canalaires for- mant un réseau au sein du pancréas chargé de convoyer lesdites enzymes digestives jusqu’au duodénum où elles contribuent à la digestion des aliments ingérés.
Le tissu endocrine, qui ne représente que 2 % de la masse totale du pancréas, est organisé en petits amas de cellules nommés îlots de Langerhans. Ces îlots com- prennent plusieurs types cellulaires sécrétant chacun une hormone spécifique : les 2 principaux types de cellules endocrines pancréatiques, α et β, sécrètent respectivement du glucagon et de l’insuline, 2 hor- mones impliquées dans le maintien de l’homéostasie glucidique. Différentes études ont montré que la plu- part des types cellulaires présents au sein du pancréas constituent des sources potentielles de cellules β pancréatiques.
Réplication des cellules β pancréatiques En dehors de la gestation ou d’autres défis physiolo- giques, les rongeurs et humains adultes présentent un taux de réplication de cellules β pancréatiques très bas (8). Néanmoins, plusieurs composés déclenchant la prolifération des cellules β pancréatiques chez les rongeurs, les poissons-zèbres et les cochons ont été identifiés – malheureusement sans aucun effet sur les cellules humaines, aussi bien in vitro que dans le cadre d’une transplantation chez la souris. Certains de ces composés furent listés par A. F. Stewart en 2014 (9) dans une courte publication où il fit part de sa déception concernant le dernier mitogène de cellules β pancréa- tiques, identifié chez la souris et inefficace sur les cel- lules humaines, la bétatrophine (10).
Bien que la mise en place d’un traitement par réplication des cellules β pancréatiques ne puisse être envisagé que dans le cas où le DT1 est diagnostiqué avant l’ablation complète de ces cellules, la perspective reste attrayante.
Pour atteindre ce but, il faut cependant se concentrer sur l’identification des mécanismes qui semblent bloquer la réplication des cellules β pancréatiques humaines adultes.
Conversion des cellules acinaires
Constituant environ 90 % de la totalité du pancréas, les cellules acinaires représentent un réservoir intéressant de cellules pouvant être converties en cellules endo- crines. En effet, plusieurs études ont démontré de façon convaincante la plasticité des cellules acinaires et leur capacité à se différencier en cellules endocrines (11-15).
Bien qu’une publication alimente la controverse en suggérant que les cellules acinaires ne participent pas à la régénération de la population endocrine à la suite d’une pancréatectomie partielle (16), ces cellules constituent des candidats très intéressants en raison de leur grand nombre et méritent que l’on étudie de façon plus poussée leur capacité à se transdifférencier en cellules β pancréatiques.
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Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XX - n° 10 - décembre 2016 313
Le remplacement des cellules β pancréatiques : une nouvelle approche thérapeutique pour le traitement du diabète de type 1
Conversion des cellules canalaires
Durant l’embryogenèse, une partie du bourgeon pancréatique donne naissance à la fois aux cellules canalaires et aux cellules endocrines (17). Comme les 2 tissus ont la même origine embryonnaire et parta- geant donc un ancêtre cellulaire commun, l’hypothèse de la présence d’une sous-population de cellules cana- laires adultes capable d’adopter un devenir endocrine est encore largement débattue parmi les chercheurs spécia lisés dans ce domaine. De nombreuses études ont été publiées sur le sujet, la plupart faisant appel aux capacités régénératives du pancréas en utilisant diverses techniques de lésion et en suivant l’implication des cellules canalaires dans la reconstruction de l’organe.
Si plusieurs publications indiquent clairement la conver- sion de cellules épithéliales canalaires en cellules sécré- trices d’insuline in vivo lors de la régéné ration (18-20), d’autres l’excluent complètement (21-23). En revanche, les résultats des études in vitro montrent unanimement une capacité des cellules canalaires à se différencier en cellules endocrines, voire sécrétrices d’insuline, aussi bien dans le modèle murin que chez l’humain (24-26).
L’ensemble de ces résultats contradictoires semble indiquer que les cellules canalaires peuvent être consi- dérées comme une source potentielle de cellules β pancréatiques, mais que ce potentiel doit être étudié en dehors du phénomène de régénération pancréatique, qui introduit nécessairement un biais selon le protocole de lésion utilisé. Une étude en cours dans notre labo- ratoire se propose ainsi de considérer la capacité des cellules de canaux pancréatiques adultes à adopter un devenir endocrine in vivo chez la souris en l’absence de lésion, afin de proposer une explication aux divergences observées d’un protocole à l’autre (manuscrit soumis).
Transdifférenciation des cellules endocrines non β
Au cours de l’embryogenèse, deux gènes entrent en compétition aux stades précoces du développement des cellules endocrines du pancréas : Arx et Pax4. Tous deux codant pour des facteurs de transcription, la prévalence de l’un de ces gènes sur son antagoniste déterminera le devenir de ces cellules préendocrines : si Arx prédomine, les cellules s’orienteront vers une différenciation α/PP, tandis que la domination de Pax4 favorisera le dévelop pement des cellules β/δ (27).
Fort de ces données sur le rôle respectif de ces 2 gènes, il a été démontré dans notre laboratoire que l’expres- sion forcée de Pax4 dans des cellules α (produisant le glucagon), de même que la perte induite d’Arx dans ces mêmes cellules, conduisait à leur conversion en cellules fonctionnelles sécrétant de l’insuline à la fois
durant le développement et chez l’adulte, mettant en évidence une plasticité des cellules pancréatiques au sein même de l’îlot de Langerhans.
Des analyses plus poussées ont démontré, de façon surprenante, que cette conversion des cellules α en β-similaires déclenchait un cycle de néogenèse aboutis- sant à une régénération constante des cellules α. Ces cellules étant, dans nos modèles d’étude, converties en cellules sécrétant de l’insuline, un flux continu de cellules β-similaires est généré, permettant à nos souris transgéniques de survivre à un diabète chimiquement induit (28-30).
Bien que déterminantes, ces études impliquent une manipulation du matériel génétique inenvisageable chez l’humain, ce qui nous a poussés à cribler de nom- breuses banques de composés chimiques et organiques dans l’espoir d’isoler une ou plusieurs molécules ayant une influence sur les gènes Arx et Pax4. Après plusieurs années de recherche, nous avons récemment identifié une molécule qui semble reproduire ces résultats après injection chez la souris, et qui permettrait d’exploiter les capacités régénératrices du pancréas en induisant la formation de nouvelles cellules sécrétrices d’insuline (31). Un essai clinique chez l’humain est en cours de mise en place, permettant dans un futur proche de déterminer si les mêmes résultats peuvent être obtenus chez des patients atteints de diabète.
Conclusion
Au cours des 10 dernières années, les progrès accomplis dans la recherche sur le remplacement des cellules β pancréatiques productrices d’insuline ont été expo- nentiels, aboutissant à la mise au point de protocoles efficaces et prometteurs qui permettent de générer des cellules insuline
+fonctionnelles in vitro et in vivo.
Dans l’ensemble, aussi bien les cellules souches que les cellules pancréatiques sont des candidats prometteurs pour potentiellement rétablir la masse de cellules β chez les patients diabétiques.
Cependant, il est nécessaire de garder à l’esprit l’as- pect auto-immun de cette pathologie. En effet, quel est intérêt de réussir à régénérer les cellules β si ces dernières sont de nouveau prises pour cibles par le système immunitaire, et éliminées ? Bien sûr, il existe une chance que la signature immunologique des nouvelles cellules β soit différente et les dispense de cette éradication, mais cela reste peu probable. Dans ce contexte, les dispositifs d’encapsulation sont extrê- mement attractifs à condition d’améliorer la perméa- bilité sélective pour le glucose et les hormones tout
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Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XX - n° 10 - décembre 2016 314
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Remerciements : ce travail fut soutenu par la Juvenile Diabetes Research Foundation (17-2011-16, 2-2010-567, 17-2013-426), le programme INSERM AVENIR, l’INSERM, le Conseil européen de la recherche (StG-2011-281265), la Fondation pour la recherche médicale (DRC20091217179), l’Agence nationale de la recherche/
Ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (2009 GENO 105 01 / 01KU0906), les “Investissements d’avenir” Labex Signalife (ANR-11-LabX-0028-01), le club Isatis, M. et Mme Dorato, M. et Mme Marffy Mantuano, la Fondation générale de santé et la Fondation Schlumberger pour l’Éducation et la Recherche.
P. Collombat déclare ne pas avoir de liens d’intérêts.
Les autres auteurs n’ont pas précisé leurs éventuels liens d’intérêts.
en prévenant l’auto-immunité. Dans le cas contraire, il serait nécessaire de coupler ces thérapies potentielles à une approche immunomodulatrice légère de façon à rendre le système immunitaire tolérant aux cellules β nouvellement formées.
Ainsi, bien que de nouveaux progrès restent à accomplir, la combinaison des avancées faites dans le domaine de la régénération des cellules β pancréatiques et dans le domaine de leur protection ouvre des perspectives
très optimistes. ■
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