Régénération rénale avec cellules souches: Aperçu

Résumé

Contexte: La régénération rénale fait actuellement l’objet d’une attention considérable au lieu de la dialyse rénale en tant que stratégie thérapeutique ultime pour l’insuffisance rénale. Cependant, en raison de complications anatomiques, on pense que le rein est l’organe le plus difficile à régénérer. Un organe aussi compliqué est pratiquement impossible à imaginer être complètement reconstruit de novo à partir de cellules souches. Néanmoins, plusieurs groupes de recherche tentent ce grand défi. Résumé: Il existe 4 stratégies majeures pour la régénération rénale de novo à partir de cellules souches. Ces stratégies comprennent l’utilisation de: (i) un échafaudage cadavérique décellularisé, (ii) la décomplémentation du blastocyste, (iii) une niche néphrogénique pour la croissance d’un xéno-embyro et (iv) un potentiel d’auto-assemblage. Toutes ces stratégies peuvent être applicables en milieu clinique, mais une période de préparation importante semble être nécessaire. Messages Clés: Bien que de nombreux problèmes restent en suspens pour la régénération rénale, y compris des questions éthiques et la formation de structures chimériques, les essais donnent de l’espoir aux patients dialysés et la régénération rénale devrait être une réalité à l’avenir.

©2014 S. Karger AG, Bâle

Introduction

Le rein conserve le potentiel de régénération si les dommages ne sont pas trop graves et si la structure rénale reste intacte. Cependant, en cas de dommages irréversibles au rein, comme cela peut se produire avec une dialyse à long terme, la propriété d’auto-renouvellement est totalement perdue. Par conséquent, toute application de la médecine régénérative chez les patients dialysés nécessitera le développement de novo d’un rein fonctionnel entier.

En termes de rein entier fonctionnel, Chan et al. a rapporté la première tentative de développer une unité rénale fonctionnelle entière en formant un pronéphros transplantable à partir de capuchons d’animaux chez Xenopus. La transplantation de cette unité de type pronéphros a au moins partiellement corrigé l’œdème chez les têtards néphrectomisés bilatéralement et ils ont survécu jusqu’à 1 mois. À notre connaissance, cette étude est la seule dans laquelle une unité rénale entière fonctionnelle transplantable a été développée de novo. Cependant, la structure pronéphros formée dans cette étude était trop primitive pour toute application clinique chez l’homme. Depuis lors, de nombreuses tentatives ont été faites dans le monde entier pour régénérer des reins entiers de novo (applicables chez les mammifères) à partir de cellules souches.

Reconstruction rénale complète À l’aide d’un Échafaudage cadavérique décellularisé

Il a été rapporté que les échafaudages cadavériques décellularisés peuvent fournir une niche pour que les cellules souches se différencient en organes entiers. Cette stratégie a été utilisée par Ott et al. développer avec succès un cœur de rat artificiel fonctionnel. Un échafaudage cardiaque entier avec une géométrie et un système vasculaire tridimensionnels (3D) intacts a été créé par perfusion coronaire avec des détergents dans le cœur cadavérique, suivi d’un repeuplement avec des cellules cardiaques néonatales ou des cellules endothéliales aortiques de rat. Les cellules cardiaques néonatales injectées ont formé un myocarde contractile, qui remplissait la fonction d’AVC. Cette stratégie a également été utilisée pour développer un foie et des poumons transplantables à l’aide de cellules épithéliales hépatocytaires et alvéolaires matures, respectivement. Plusieurs tentatives ont été faites pour utiliser cette technique pour la régénération rénale. Ces tentatives ont révélé que les cellules souches pluripotentes infusées étaient localisées dans le système vasculaire et les glomérules, avec une migration ultérieure dans les tubules, mais qu’il était difficile d’acquérir une fonction rénale. Cependant, récemment, le même groupe, qui a utilisé avec succès la méthode décrite ci-dessus pour générer le cœur et les poumons, a signalé une régénération complète réussie du rein, qui peut produire de l’urine après la transplantation. Notamment, ils ont utilisé des cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine bien différenciées au lieu de cellules souches pluripotentes, et l’utilisation d’un échafaudage seulement leur a fourni de manière sélective une niche pour la dérivation différenciée des cellules résidentielles rénales et vasculaires dans la zone droite. Bien qu’il ne soit pas clair comment les cellules infusées se différencient et s’orchestrent en néphrons avec vascularisation pour produire de l’urine, cette technique pourrait être une solution à la pénurie d’organes donneurs.

Complémentation de blastocystes

L’injection de cellules souches embryonnaires normales dans les blastocystes de souris déficientes en gène 2 activant la recombinaison, qui n’ont pas de lymphocytes B ou T matures, génère des chimères somatiques avec des cellules B et T matures dérivées de cellules ES. Ce système de « complémentation de blastocystes » a été récemment appliqué à la reconstruction de l’organe entier. Kobayashi et coll. régénération réussie récemment rapportée d’un pancréas de rat chez la souris via une injection interspécifique de blastocystes de cellules souches pluripotentes induites (iPS). Ils ont injecté des cellules iPS de rat dans Pdx-1-/- (pancréatogenèse – désactivée) des blastocystes de souris et ont constaté que les chimères nouveau-nées du rat et de la souris traitaient un pancréas presque entièrement dérivé de l’IPS. Ce succès prouve que lorsqu’une niche de développement vide pour un organe est fournie, la descendance cellulaire dérivée de la cellule iPS peut occuper cette niche et compenser le contenu manquant de la niche. Cela forme un organe compliqué composé presque entièrement de cellules dérivées de cellules iPS donneuses, même si la complémentation des blastocytes implique différentes espèces. Ce groupe de recherche a récemment généré un Pdx-1-/- pig et a réussi à générer un pancréas plus gros en utilisant cette technique. Ces résultats probants suggèrent que des organes à l’échelle humaine pourraient théoriquement être générés de novo.

Cette technique a été récemment appliquée à la reconstruction rénale complète. Après injection de cellules iPS de souris dans les blastocystes de souris Sall1-null, dépourvues des deux reins, la majeure partie du métanéphroi était constituée de cellules différenciées dérivées de cellules iPS. Cependant, ils n’ont pas pu obtenir le nourrisson chez le bétail après cette manipulation pour une raison inconnue, ce qui suggère qu’il y a un autre problème à résoudre dans ce système de régénération rénale. Cependant, ces résultats suggèrent fortement que la complémentation en blastocystes est une stratégie la plus prometteuse pour la régénération du rein. Ces systèmes ne sont pas disponibles pour une utilisation clinique pour le moment car il n’est pas possible de générer des systèmes vasculaires et nerveux. De plus, d’importants problèmes éthiques liés à la manipulation de blastocystes avec des cellules iPS restent non résolus. Néanmoins, ce succès met en évidence la justification selon laquelle l’application clinique éventuelle de la régénération rénale doit dépendre de la programmation du développement.

Utilisation d’une Niche néphrogénique pour la croissance d’Embryons xénogéniques (Méthode de la Niche organogénique)

La régénération d’un rein fonctionnel entier à l’aide d’un embryon hétérozoïque en développement comme « fabrique d’organes » a été tentée. Ceci est basé sur le concept d ‘ »emprunt » du programme de développement d’un xéno-embryon en croissance en appliquant des cellules souches au créneau de l’organogenèse. Au cours du développement du métanéphros, le mésenchyme métanéphrique se forme initialement à partir de la partie caudale du cordon néphrogénique et sécrète un facteur neurotrophique dérivé de la lignée cellulaire gliale (GDNF). Ce processus induit le canal wolffien voisin pour produire un bourgeon urétéral. Les chercheurs ont microinjecté des cellules souches mésenchymateuses humaines exprimant le GDNF (HMSC) dans le site de bourgeonnement à la suite de ce processus. L’embryon receveur a été cultivé dans tout un système de culture d’embryons et le métanéphros formé a été développé en culture d’organes. Une manipulation sans virus peut également être réalisée à l’aide d’un polymère GDNF thermoréversible. En conséquence, les HMSC donneurs ont été intégrés dans les métanéphros rudimentaires et morphologiquement différenciés en cellules épithéliales tubulaires, cellules interstitielles et cellules épithéliales glomérulaires. Les chercheurs ont ensuite transplanté le métanéphros développé dans l’épiploon pour permettre l’intégration vasculaire du receveur pour former un néphron fonctionnel. En conséquence, un « néokidney » dérivé du hMSC a été généré, qui contenait un néphron humain et le système vasculaire de l’hôte. De plus, le néokidney a produit de l’urine présentant des concentrations plus élevées d’azote uréique et de créatinine que les sérums du receveur. Cette découverte a suggéré que le néokidney qui s’est développé dans l’épiploon était capable de produire de l’urine en filtrant le sang du receveur. De plus, le néokidney dérivé du hMSC sécrétait de l’érythropoïétine humaine et sa production était stimulée par l’induction d’une anémie chez l’animal hôte. Cette découverte indique que ce système préserve la régulation physiologique normale des taux d’érythropoïétine. Cependant, le système actuel peut ne pas reconstruire les dérivés du bourgeon urétéral. Par conséquent, pour déterminer si les CSM peuvent se différencier en progéniteur du bourgeon urétéral à l’aide d’embryons de poussin, des CSM exprimant Pax2 ont été injectés dans la région progénitrice du bourgeon urétéral du poulet. En conséquence, ils ont migré caudalement avec le canal wolffien allongé et ont été intégrés dans les épithéliums du canal wolffien, puis ont exprimé LIM1. Cette découverte a montré qu’ils peuvent se différencier en cellules de canal de wolff sous l’influence de signaux xéno-locaux. Ces résultats suggèrent qu’un rein entier peut être reconstruit en transplantant des CSMH à un moment et à un endroit appropriés pour régénérer des dérivés du mésenchyme métanéphrique et du bourgeon urétéral.

Sur la base de nos résultats réussis, nous étudions actuellement la possibilité d’expérimenter sur un animal plus gros (c’est-à-dire le porc) car le rein porcin a presque le même volume que le rein humain. La taille ultime du métanéphros développé semble être imprimée au cours des premiers stades de développement de l’embryon hôte. Cette possibilité est corroborée par la découverte que le métanéphroi des animaux plus gros transplantés dans l’omenta des hôtes plus petits se développe dans des organes de plus grand volume (diamètre et poids) par rapport à celui d’un rein d’hôte normal. Espérons que ce système facilitera le développement d’organes plus grands qui conviennent mieux à une utilisation chez l’homme (fig. 1).

Potentiel d’auto-assemblage des cellules souches

Certains chercheurs ont suggéré que les cellules souches pluripotentes ont le potentiel de se différencier en cellules matures et de s’auto-assembler en tissus ou organes, et ils ont mené des recherches en utilisant des cellules souches pluripotentes pour générer des cellules matures in vitro. La formation autonome de tissu 3D similaire à l’adénohypophyse, à la calotte optique et aux structures tissulaires intestinales à l’aide d’un système de culture cellulaire ES 3D à partir de cellules ES a été démontrée. Cette approche pourrait réduire considérablement la complexité de l’organogenèse pour la régénération thérapeutique. Pour régénérer les cellules rénales en utilisant une telle approche, les cellules ES ou iPS doivent être différenciées en premier mésoderme intermédiaire puis en progéniteurs rénaux, suivis de plusieurs types de cellules rénales. En ce qui concerne la régénération rénale, Osafune et al. a démontré qu’une seule cellule progénitrice multipotente d’un rein de souris embryonnaire, qui exprime fortement Sall1, pouvait se différencier en plusieurs types de cellules rénales, y compris les podocytes glomérulaires et les épithéliums tubulaires rénaux, et éventuellement reconstruire une structure rénale 3D. Une autre étude récente a rapporté des suspensions unicellulaires provenant de réactifs rénaux embryonnaires pour former des structures rénales organotypiques. Au cours du développement, le rein est dérivé du mésoderme intermédiaire, l’une des premières couches germinales. Les cellules intermédiaires du mésoderme se différencient ensuite en progéniteurs rénaux, suivis de plusieurs types de cellules rénales. Par conséquent, si les cellules ES ou iPS peuvent se différencier d’abord en mésoderme intermédiaire puis en progéniteurs rénaux, il est possible que tous les types de cellules rénales puissent être générés à l’aide de cellules souches pluripotentes. Osafune et coll. ont établi des méthodes pour différencier les IPSC humains en cellules mésodermes intermédiaires en utilisant un traitement combiné de facteurs de croissance. Ces cellules expriment des gènes marqueurs du mésoderme intermédiaire et pourraient mûrir en plusieurs types cellulaires, y compris ceux trouvés dans les organes dérivés du mésoderme intermédiaire tels que le rein, les gonades et le cortex surrénalien. Ces recherches suggèrent que, si ces cellules intermédiaires du mésoderme peuvent se différencier en cellules progénitrices rénales, une structure rénale 3D peut être construite à partir de cellules souches pluripotentes. Les moyens permettant de régénérer avec succès un système vasculaire fonctionnel entre le rein régénéré et le receveur restent inconnus. De plus, la fonction in vivo d’un rein régénéré n’est pas claire. Cependant, d’autres progrès en biologie du développement peuvent résoudre ces problèmes et permettre la régénération in vitro du rein entier.

Conclusion

Cet article résume les dernières recherches sur l’utilisation de cellules souches pour régénérer un rein entier fonctionnel de novo. Malgré de nombreux progrès biologiques et techniques dans la régénération rénale, la reconstruction d’un rein entièrement fonctionnel reste hors de portée et de nombreux problèmes ne sont toujours pas résolus. L’utilisation de tissus hétérologues, tels que les xénométanéphroi et les xénoblastocystes, soulève des problèmes éthiques, tandis que les méthodes de différenciation fiable des CES / IPSC en reins in vitro n’ont pas été complètement établies. Des méthodes pour assurer la fonction du tissu rénal régénéré pour produire de l’urine et de l’érythropoïétine doivent encore être développées. Cependant, des efforts continus en biologie des cellules souches et du développement permettront, espérons-le, de résoudre ces problèmes, menant au développement de nouvelles stratégies de traitement pour reconstruire un rein entier avec une fonction rénale adéquate. Nous pensons que de tels efforts se concrétiseront et qu’il sera possible de régénérer un rein fonctionnel à l’avenir.

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