« Nous avons eu de colonies. »

Shinya Yamanaka leva les yeux avec surprise au postdoc qui avait parlé. ” Nous avons des colonies », a encore dit Kazutoshi Takahashi., Yamanaka sauta de son bureau et suivit Takahashi jusqu’à leur salle de culture de tissus, à L’Université de Kyoto au Japon. Sous un microscope, ils ont vu de minuscules amas de cellules — l’aboutissement de cinq ans de travail et une réalisation dont Yamanaka n’était même pas sûr qu’elle était possible.

Deux semaines plus tôt, Takahashi avait prélevé des cellules de peau de souris adultes et les avait infectées avec un virus conçu pour introduire 24 gènes soigneusement choisis. Maintenant, les cellules avaient été transformées., Ils ressemblaient et se comportaient comme des cellules souches embryonnaires-des cellules « pluripotentes », avec la capacité de se développer en peau, nerf, muscle ou pratiquement tout autre type de cellule. Yamanaka regarda l’alchimie cellulaire devant lui. « À ce moment-là, je me suis dit:” cela doit être une sorte d’erreur » », se souvient-il. Il a demandé à Takahashi d’effectuer l’expérience encore et encore. À chaque fois, cela a fonctionné.

Au cours des deux prochains mois, Takahashi a réduit les gènes à seulement quatre qui étaient nécessaires pour remonter l’horloge du développement., En juin 2006, Yamanaka a présenté les résultats à une salle de scientifiques stupéfaits lors de la réunion annuelle de la Société internationale pour la recherche sur les cellules souches à Toronto, Canada. Il a appelé les cellules « cellules de type ES », mais les appellera plus tard cellules souches pluripotentes induites, ou cellules iPS. ” Beaucoup de gens n’y croyaient tout simplement pas », explique Rudolf Jaenisch, biologiste au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, qui était dans la salle. Mais Jaenisch connaissait et faisait confiance au travail de Yamanaka, et pensait qu’il était « ingénieux”.,

Les cellules promettaient d’être une aubaine pour la médecine régénérative: les chercheurs pourraient prendre la peau, le sang ou d’autres cellules d’une personne, les reprogrammer en cellules iPS, puis les utiliser pour faire pousser des cellules hépatiques, des neurones ou tout ce qui était nécessaire pour traiter une maladie. Cette thérapie personnalisée permettrait de contourner le risque de rejet immunitaire et d’éviter les préoccupations éthiques liées à l’utilisation de cellules dérivées d’embryons.

dix ans plus tard, les objectifs ont changé — en partie parce que ces thérapies se sont révélées difficiles à développer., Le seul essai clinique utilisant des cellules iPS a été interrompu en 2015 après qu’une seule personne ait reçu un traitement.

Mais les cellules iPS ont fait leur marque d’une manière différente. Ils sont devenus un outil important pour la modélisation et l’étude des maladies humaines, ainsi que pour le dépistage des médicaments. Des moyens améliorés de fabriquer les cellules, ainsi que des technologies d’édition de gènes, ont transformé les cellules iPS en un cheval de bataille de laboratoire-fournissant un approvisionnement illimité de tissus humains autrefois inaccessibles pour la recherche., Cela a été particulièrement précieux dans les domaines du développement humain et des maladies neurologiques, dit Guo-li Ming, neuroscientifique à L’Université Johns Hopkins à Baltimore, Maryland, qui utilise des cellules iPS depuis 2006.

le champ connaît toujours des douleurs de croissance. Alors que de plus en plus de laboratoires adoptent des cellules iPS, les chercheurs ont du mal à obtenir de la cohérence. ” Le plus grand défi est de mettre tout le monde sur la même longueur d’onde avec le contrôle de la qualité », explique Jeanne Loring, biologiste des cellules souches au Scripps Research Institute à La Jolla, en Californie., « Il y a encore des documents qui sortent où les gens ont fait quelque chose de remarquable avec une lignée cellulaire, et il s’avère que personne d’autre ne peut le faire”, dit-elle. « Nous avons toute la technologie. Nous avons juste besoin que les gens l’utilisent correctement. »

de la peau aux yeux

Six semaines après avoir présenté leurs résultats, Yamanaka et Takahashi ont publié1 les identités des gènes responsables de la reprogrammation des cellules adultes: Oct3 / 4, Sox2, Klf4 et c-Myc. Au cours de l’année suivante, trois laboratoires, dont celui de Yamanaka, ont confirmé les résultats et amélioré la méthode de reprogrammation2, 3, 4., En l’espace de six mois, Yamanaka et James Thomson de L’Université du Wisconsin-Madison ont réussi à reprogrammer des cellules adultes à partir d’humains5, 6. Les laboratoires du monde entier se sont précipités pour utiliser la technique: à la fin de 2009, quelque 300 articles sur les cellules iPS avaient été publiés.

de nombreux laboratoires se sont concentrés sur l’élaboration des types de cellules adultes qui pourraient être reprogrammés, et en quoi les cellules iPS résultantes pourraient être transformées., D’autres ont cherché à améliorer encore la recette de reprogrammation, d’abord en éliminant la nécessité d’utiliser c-Myc, un gène ayant le potentiel de rendre certaines cellules cancéreuses, et plus tard en délivrant les gènes sans qu’ils ne s’intègrent dans le génome, un problème de sécurité imminent pour les thérapies à base de cellules iPS.

Une autre grande question était de savoir comment les cellules iPS étaient vraiment similaires aux cellules ES. Des différences ont commencé à émerger. Les scientifiques ont découvert8 que les cellules iPS conservent une « mémoire épigénétique » — un motif de marques chimiques sur leur ADN qui reflète leur type de cellule d’origine., Mais les experts soutiennent que de tels changements ne devraient pas affecter l’utilisation des cellules dans les thérapies. « Il peut y avoir des différences par rapport aux cellules ES, mais je pense qu’elles ne sont vraiment pas pertinentes”, explique Jaenisch.

en 2012, lorsque Yamanaka a remporté la moitié du prix Nobel de physiologie ou de médecine pour ses travaux, le premier essai humain d’une thérapie à base de cellules iPS était en cours de planification., Masayo Takahashi, ophtalmologiste au RIKEN Center for Developmental Biology (CDB) à Kobe, au Japon, développait des traitements à base de cellules ES pour les maladies de la rétine lorsque Yamanaka a publié pour la première fois sa méthode de reprogrammation. Elle est rapidement passée aux cellules iPS et a finalement commencé à collaborer avec Yamanaka.

en 2013, son équipe a fabriqué des cellules iPS à partir des cellules de la peau de deux personnes atteintes de dégénérescence maculaire liée à l’âge, une affection oculaire pouvant conduire à la cécité, et les a utilisées pour créer des feuilles d’épithélium pigmentaire rétinien (EPR) pour un essai clinique., Peu de temps après, les chercheurs du CDB travaillant sur une autre technique de reprogrammation cellulaire-l’acquisition de pluripotence déclenchée par un stimulus, ou STAP — ont fait l’objet d’une enquête pour inconduite. Bien que non liée à l’essai iPS-cell, la fureur a rendu difficile pour Takahashi de faire avancer son étude: cela a créé un « vent de face dans la mer calme” dans laquelle elle travaillait, dit-elle. Pourtant, son équipe a progressé et, le 12 septembre 2014, les médecins ont implanté les premières feuilles D’EPR dans l’œil droit d’une femme d’une soixantaine d’années., Takahashi dit que la thérapie a arrêté la dégénérescence maculaire de la femme et a illuminé sa vision.

Mais alors que le laboratoire se préparait à traiter le deuxième participant à l’essai, L’équipe de Yamanaka a identifié deux petits changements génétiques dans les cellules iPS du patient et les cellules RPE dérivées d’elles. Il n’y avait aucune preuve que l’une ou l’autre mutation était associée à la formation de tumeurs, mais « pour être sûr”, Yamanaka a conseillé à Takahashi de suspendre l’essai. Elle l’a fait.,

la suspension a donné une pause à d’autres chercheurs intéressés par le domaine, explique Paul Knoepfler, biologiste des cellules souches à L’Université de Californie à Davis: « le monde regarde pour voir comment cela progresse. »Mais les difficultés rencontrées par les cellules iPS pour se rendre à la clinique ne sont pas si inhabituelles, explique David Brindley, qui étudie la régulation et la fabrication des cellules souches à l’Université D’Oxford, au Royaume-Uni. Il faut généralement environ 20 ans pour faire passer une découverte scientifique à l’adoption clinique et commerciale, de sorte que les cellules iPS « suivent à peu près la même trajectoire”, dit-il.,

aux États-Unis, L’Astellas Institute for Regenerative Medicine de Marlborough, Massachusetts (anciennement Advanced Cell Technology), a plusieurs thérapies à base de cellules iPS dans son pipeline, y compris celles pour la dégénérescence maculaire et le glaucome, explique le directeur scientifique Robert Lanza. Pour une telle thérapie, il faut des années pour trouver une méthode appropriée pour fabriquer les bons types de cellules en quantités suffisantes et avec suffisamment de pureté. ” les cellules iPS sont les thérapies les plus complexes et les plus dynamiques qui aient jamais été proposées pour la clinique », explique Lanza., « Je suis le premier à vouloir voir ces cellules à la clinique, mais une grande prudence est nécessaire. »

l’autre grand défi consiste à déterminer ce qui sera nécessaire pour faire approuver de tels traitements. Loring espère commencer un essai de thérapie cellulaire iPS pour la maladie de Parkinson dans les deux prochaines années. Mais ce ne sera pas facile: le traitement utilise des cellules dérivées de patients individuels, et Loring prévoit de faire une série complexe de contrôles et de validations pour chaque lignée cellulaire afin de démontrer son innocuité à la Food and Drug Administration américaine.,

développer et tester une thérapie chez une seule personne a été éducatif, dit Yamanaka: cela a pris un an et 1 million de dollars américains. Il s’attend à ce que les thérapies futures utilisent des cellules iPS dérivées d’un donneur provenant d’une banque cellulaire, plutôt que de les fabriquer pour chaque patient.

Takahashi prévoit de comparer les cellules iPS mises en banque côte à côte avec celles dérivées de patients, afin d’observer toute différence de réaction immunitaire. Elle a l’intention de demander au gouvernement Japonais de reprendre son procès de dégénérescence maculaire « très bientôt”, mais lorsqu’on lui a demandé, n’a pas précisé de calendrier.,

améliorations cellulaires

bien que la thérapie cellulaire ait connu des revers, d’autres domaines de recherche ont fleuri. Les méthodes de fabrication des cellules iPS  » sont plus raffinées et élégantes qu’il y a cinq ans”, explique Knoepfler.

Mais la plupart des techniques de reprogrammation sont inefficaces: seule une petite fraction des cellules finissent complètement reprogrammées. Et, comme toutes les lignées cellulaires, les cellules iPS varient d’une souche à l’autre. Cela a rendu difficile l’établissement de contrôles dans les expériences.,

Marc Tessier-Lavigne, neuroscientifique à L’Université Rockefeller de New York, a relevé ce défi avec ses collègues de la Fondation des cellules souches de New York lorsqu’ils ont commencé à travailler avec des cellules iPS fabriquées à partir de personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer précoce et de démence frontotemporale. Ils ont rapidement réalisé que la comparaison des cellules iPS d’un patient avec celles d’un témoin sain ne fonctionnait pas — les cellules se comportaient trop différemment en culture, probablement en raison de disparités dans le fond génétique ou l’expression des gènes. ” Nous nous sommes donc tournés vers l’édition génétique », explique Tessier-Lavigne.,

L’outil D’édition de gènes CRISPR–Cas9, qui a gagné en popularité ces dernières années, a permis aux chercheurs d’introduire des mutations associées à la maladie dans un échantillon de cellules iPS, puis de les comparer avec les lignées cellulaires originales non éditées. Le laboratoire de Jaenisch utilise quotidiennement CRISPR-Cas9 avec des cellules iPS. « Nous pouvons faire toutes les manipulations que nous voulons faire”, dit-il.

de nouvelles méthodes d’édition génique raffinées s’avèrent encore plus utiles., En avril, par exemple, Dominik Paquet et Dylan Kwart dans le laboratoire de Tessier-Lavigne ont démontré9 une technique pour introduire des mutations ponctuelles spécifiques dans les cellules iPS à L’aide de CRISPR, et éditer une seule copie d’un gène, plutôt que les deux. Cela leur a permis de générer des cellules avec des combinaisons précises de mutations associées à la maladie d’Alzheimer et d’en étudier les effets.

Mais comme les cellules iPS ressemblent à des cellules embryonnaires, elles ne sont pas toujours idéales pour étudier des maladies tardives telles que la démence. Les chercheurs explorent donc des moyens de stresser les cellules ou d’introduire des protéines qui les vieillissent prématurément., « C’est une préoccupation valable qui n’a pas été résolue, mais il y a un certain nombre d’approches pour vraiment essayer de s’y attaquer”, dit Tessier-Lavigne.

le fait que les cellules iPS imitent le développement humain précoce s’est avéré utile dans un autre domaine — le sprint pour découvrir si et comment l’infection par le virus Zika chez les femmes enceintes pourrait conduire à la microcéphalie, une condition dans laquelle la tête d’un bébé est plus petite que prévu. Ming et ses collègues ont utilisé des cellules iPS pour créer des organoïdes cérébraux — des morceaux de tissu 3D qui ressemblent à des organes en développement., Lorsqu’ils les ont exposés au Zika, ils ont constaté10 que l’agent pathogène infecte préférentiellement les cellules souches neurales par rapport aux neurones nouvellement formés, entraînant une augmentation de la mort des cellules souches neurales et une diminution du volume d’une couche de neurones dans le cortex, ressemblant à une microcéphalie.

D’autres groupes ont utilisé des cellules iPS pour créer des organoïdes tels que des mini-tripes et des mini-foies, et la liste des découvertes liées à la maladie utilisant des cellules iPS s’allonge., Il montre notamment comment une duplication génique dans le glaucome provoque la mort de groupes de cellules nerveuses11 et récapitule les altérations génétiques et cellulaires associées à la maladie de Huntington12.

Les cellules iPS ont également été utilisées avec un certain succès dans la découverte de médicaments: elles fournissent une source abondante de cellules dérivées du patient pour dépister ou tester des médicaments expérimentaux. En 2012, par exemple, des cellules souches neurales fabriquées à partir de personnes atteintes d’une maladie du développement des cellules nerveuses ont été utilisées pour dépister près de 7 000 petites molécules et identifier un médicament potentiel pour la condition13., Et cette année, une équipe a rapporté14 générant des neurones sensoriels à partir de cellules iPS fabriquées à partir de personnes atteintes d’un trouble de la douleur héréditaire. Les chercheurs ont montré qu’un composé bloquant le sodium réduisait l’excitabilité des neurones et diminuait la douleur chez les patients. Il serait formidable d’utiliser des cellules iPS pour prédire si les gens répondront à un médicament particulier, dit Edward Stevens, chercheur à L’Unité de recherche sur les neurosciences et la douleur de Pfizer à Cambridge, au Royaume-Uni, qui a dirigé les travaux, mais il faudra beaucoup plus de preuves qu’une telle stratégie fonctionne.,

même après une décennie de reprogrammation des cellules (voir « induire une révolution »), les chercheurs ne savent pas en détail comment le processus se produit réellement. Pour l’instant, le domaine se concentre sur la vérification systématique de l’identité et de la sécurité des lignées cellulaires, en vérifiant leurs génomes, leurs schémas d’expression des gènes, etc. L’un de ces efforts, la Banque européenne pour les cellules souches pluripotentes induites, basée à Cambridge, au Royaume-Uni, a lancé publiquement son catalogue de cellules iPS standardisées à utiliser dans la modélisation des maladies en Mars., Yamanaka est également impliqué dans la Banque de cellules iPS pour les thérapies futures, la collecte de variétés qui seraient immunologiquement compatibles dans une large population.

Les plus grands défis futurs, dit-il, ne sont pas scientifiques. Les chercheurs vont avoir besoin d’un solide soutien de l’industrie pharmaceutique et des gouvernements pour aller de l’avant avec les thérapies cellulaires; pour la découverte de médicaments et la modélisation des maladies, les chercheurs doivent être persistants et patients. les cellules iPS ne peuvent que raccourcir le processus de découverte, pas le sauter, dit-il. « Il n’y a pas de magie. Avec les cellules iPS ou toute nouvelle technologie, cela prend encore beaucoup de temps.,”