Cellules souches & appareil respiratoire : Perpectives thérapeutiques Pr Carole Planès Physiologie SMBH Bobigny EA 2363, UFR SMBH, Université Paris 13 carole.planes@avc.aphp.fr Master 2 B2PCR Respiration UE1 «Immunopathologie Respiratoire et Remodelage Tissulaire Pulmonaire» 2012
PLAN Le poumon bio-artificiel Intérêt des cellules souches exogènes (hématopoïétiques ou mésenchymateuses) dans la réparation/régénération pulmonaire Etudes princeps : transdifférenciation vraie ou artéfact? Intérêt paracrine des cellules souches exogènes Limites, risques et espoirs thérapeutiques
Perspectives thérapeutiques - Poumon bio-artificiel - Intérêt des cellules souches exogènes
Bio-ingénierie du poumon : vers le poumon bio-artificiel
Décellularisation/Régénération/Réimplantation Petersen et al, Science 2010
Décellularisation de poumon de rat par perfusion IV et IT de détergent A: voies aériennes B: vaisseaux
Régénération épithéliale et endothéliale après 8 jours en bio-réacteur A: ensemencement IT de cell épith pulm néonatales B: ensemencement IV de cell endoth microvasculaires pulm I: UTS = unité de force de tension
Réimplantation après pneumonectomie chez un rat après 8 j en bio-réacteur Echanges gazeux après 45min-2h en ventilation en 100% O 2
Limitations Problèmes à résoudre Œdème pulmonaire après quelques heures de réimplantation : Perméabilité anormale de la MAC? Déficit en surfactant fonctionnel? Améliorer la clairance mucociliaire Utiliser les bonnes cellules pour la régénération : Cellules souches pulmonaires?
Perspectives thérapeutiques - Poumon bio-artificiel - Intérêt des cellules souches exogènes
Contribution des cellules souches exogènes à la réparation/régénération de l épithélium respiratoire Cellules souches hématopoïétiques (HSC) Cellules souches mésenchymateuses (MSC) dérivées de moelle osseuse
Cellules souches dérivées de moelle osseuse et appareil respiratoire : la controverse Auparavant, on pensait que les cellules souches spécifiques d un tissu ne pouvait régénérer que leur tissu d origine. Depuis quelques années, il a été suggéré qu une variété de cellules souches pouvait générer également des cellules d autres tissus Plasticité des cellules souches (transdifférenciation)? Ex : cellules souches de la moelle osseuse cellules bronchiques ou alvéolaires??? Résultats contradictoires :. Variété des modèles. Caractérisation insuffisante des cellules souches utilisées. Hétérogénéité des techniques
Greffe de cellules souches hématopoïétiques (1) 2001 : dans des souris femelles irradiées, transplantation d une cellule souche hématopoïétique unique (HSC) avec sex-mismatch (Krause, Cell, 2001) Injection d HSC Irradiation léthale «Homing» (48h) Isolement des HSC du donneur 1 HSC 1 HSC 1 HSC 30 receveuses irradiées 5 survivantes sacrifiées à 11 mois
Greffe de cellules souches hématopoïétiques (2) Après 11 mois, 10-20% de Pneumocytes II des receveuses survivantes portent le chromosome Y Greffe et transdifférenciation des HSC du donneur? (Krause, Cell, 2001) Epithélium alvéolaire % de «greffe» (engraftment) 11 mois après transplantation Chr Y en jaune (flèches) (rouge : Chr Y vert : SPB)
Greffe de cellules souches mésenchymateuses dérivées de moelle osseuse 2003 : Injection de cellules souches mésenchymateuses (MSC) purifiées de souris mâles chez des femelles traitées à la bléomycine : Présence de PII avec chr Y Chr Y Ortiz, PNAS, 2003 Chr Y (flèche) PII fraîchement isolés
«Lung engraftment» : artéfact ou réalité? Des travaux ultérieurs utilisant des techniques plus sophistiquées (marquage des PII par SPC-GFP, microscopie en déconvolution ) ont montré que ni les cellules de moelle osseuse totale ni les cellules souches hématopoïétiques purifiées ne pouvait se transdifférencier en pneumocytes, même après lésion par la bléomycine. EXEMPLE : Transplantation de cellules souches hématopoïétiques provenant de souris SPC-GFP (exprimant la Green Fluorescent Protein uniquement sous contrôle du promoteur de la protéine C du surfactant, spécifiquement exprimée dans le lignage des PII) (Kotton, AJRCMB, 2005 Chang, AJRCMB, 2005)
Taux d «engraftment» des cellules souches de moelle osseuse dans le poumon ~ 0.01 à 0.1 % Souris SPC-GFP Souris témoin + cell. souches de moelle osseuse de souris SPC-GFP (Kotton, AJRCMB, 2005)
Effet protecteur au cours des lésions pulmonaires des HSC / MSC dérivées de moelle osseuse Malgré le faible taux d engraftment, l administration IV ou IT d HSC ou de MSC diminue la sévérité des lésions pulmonaires et la survie dans différents modèles murins : Bléomycine : MSC en IV (Ortiz, PNAS 2003; Rojas, AJRCMB 2005) Lipopolysaccharide (LPS) : cellules de moelle osseuse en IV (Yamada, J Immunol 2004) MSC en IT (Gupta, J Immunol 2007) Sérum phy. Bléo. Bléo. + MSC Ortiz, PNAS 2003 Effet anti-fibrosant
Effet paracrine anti-inflammatoire ou immunomodulateur des HSC / MSC? Instillation intratrachéale (IT) de LPS chez la souris 4h après : instillation IT de MSC ou PBS Survie (Gupta, J Immunol 2007) Cytokines proinflammatoires : TNF-α et MIP-2
Effet thérapeutique des MSC ou de leur milieu conditionné dans le poumon humain Modèle de poumon humain isolé-perfusé exposé à l endotoxine d E. Coli L administration intratrachéale de MSC (ou de milieu conditionné de MSC) réduit la sévérité de l œdème pulmonaire et l inflammation. Lee, PNAS 2009
RESUME Malgré les grands espoirs initialement soulevés, la possibilité de transdifférenciation de HSC / MSC en cellules épithéliales respiratoires est remise en cause. Le taux d «engraftment» (greffe) est très faible, s il existe Néanmoins, dans de nombreux modèles de lésions pulmonaires, l administration d HSC ou MSC semble limiter la sévérité des lésions initiales et/ou l évolution fibrosante : Rôle paracrine anti-inflammatoire/immunomodulateur des HSC / MSC? Reconstitution d une «niche» autour des cellules souches respiratoires? Problème : on ne sait pas exactement quels types de HSC / MSC sont réellement utiles sans être potentiellement dangereux.
(Loebinger, Chest 2007)
«Take home message» L utilisation de cellules souches adultes ou embryonnaires représente certainement un espoir thérapeutique pour l avenir mais on n en est pas encore là! La contribution des cellules souches exogènes (HSC? MSC?) à la réparation de l épithélium respiratoire après lésion semble réelle, même si les mécanismes impliqués sont encore mal connus, probablement indirects. Les facteurs du microenvironnement local modulant la réparation de l épithélium respiratoire vers une restauration ad integrum ou aberrante sont encore en cours d identification.
Bibliographie Lung Stem cells - Kotton D. N. Cell. Tissue Res. 2008, 331:145-156 Stem Cells for Lung Disease - Loebinger M. R. Chest 2007, 132:279-285 Airway Epithelial Repair, Regeneration, and Remodeling after Injury in Chronic Obstructive Pulmonary Disease - Puchelle E. Proc. Am. Thorac. Soc. 2006, 3:726-733 Evidence for Human Lung Stem Cells Kajstura J. New Engl J Med 2011, 364:1795-1806 + éditorial (p. 1867-1868) Tissue-Engineered Lungs for In Vivo Implantation Petersen T.H. Science 2010, 329:538-541 Regeneration and Orthotopic Transplantation of a Bioartificial Lung Ott H.C. Nat Med 2010, 16:927-934