Les crises cardiaques et l’insuffisance cardiaque congestive restent parmi les défis de santé les plus importants de la Nation malgré de nombreuses percées en médecine cardiovasculaire. En effet, malgré des approches réussies pour prévenir ou limiter les maladies cardiovasculaires, la restauration de la fonction du cœur endommagé reste un formidable défi. Des recherches récentes fournissent les premières preuves que les cellules souches adultes et embryonnaires pourraient être capables de remplacer les cellules endommagées du muscle cardiaque et d’établir de nouveaux vaisseaux sanguins pour les alimenter. Sont discutées ici certaines des découvertes récentes qui présentent des stratégies de remplacement des cellules souches et de régénération musculaire pour réparer le cœur endommagé.

Introduction

Pour ceux qui souffrent de maladies cardiaques courantes, mais mortelles, la biologie des cellules souches représente une nouvelle frontière médicale. Les chercheurs s’efforcent d’utiliser les cellules souches pour remplacer les cellules cardiaques endommagées et restaurer littéralement la fonction cardiaque.

Aujourd’hui, aux États-Unis, l’insuffisance cardiaque congestive – le pompage inefficace du cœur causé par la perte ou le dysfonctionnement des cellules du muscle cardiaque – touche 4,8 millions de personnes, avec 400 000 nouveaux cas chaque année. L’un des principaux facteurs contribuant au développement de cette affection est la crise cardiaque, connue sous le nom médical d’infarctus du myocarde, qui survient chez près de 1,1 million d’Américains chaque année. Il est facile de reconnaître que les déficiences du cœur et du système circulatoire représentent une cause majeure de décès et d’invalidité aux États-Unis .

Qu’est-ce qui conduit à ces effets dévastateurs ? La destruction des cellules du muscle cardiaque, appelées cardiomyocytes, peut être le résultat d’une hypertension, d’une insuffisance chronique de l’apport sanguin au muscle cardiaque causée par une maladie coronarienne, ou d’une crise cardiaque, la fermeture soudaine d’un vaisseau sanguin apportant de l’oxygène au cœur. Malgré les progrès des interventions chirurgicales, des dispositifs d’assistance mécanique, des traitements médicamenteux et des transplantations d’organes, plus de la moitié des patients souffrant d’insuffisance cardiaque congestive meurent dans les cinq ans suivant le diagnostic initial. La recherche a montré que des thérapies telles que les médicaments anti-coagulants peuvent rétablir la circulation sanguine dans les régions endommagées du cœur et limiter la mort des cardiomyocytes. Les chercheurs explorent maintenant des moyens de sauver des vies supplémentaires en utilisant des cellules de remplacement pour les cellules mortes ou altérées afin que le muscle cardiaque affaibli puisse retrouver sa puissance de pompage.

Comment les cellules souches pourraient-elles jouer un rôle dans la réparation du cœur ? Pour répondre à cette question, les chercheurs développent leur base de connaissances sur la façon dont les cellules souches sont dirigées pour devenir des cellules spécialisées. Un type important de cellule qui peut être développé est le cardiomyocyte, la cellule du muscle cardiaque qui se contracte pour éjecter le sang hors de la chambre de pompage principale du cœur (le ventricule). Deux autres types de cellules sont importants pour le bon fonctionnement du cœur : la cellule endothéliale vasculaire, qui forme la paroi interne des nouveaux vaisseaux sanguins, et la cellule musculaire lisse, qui forme la paroi des vaisseaux sanguins. Le cœur a une forte demande de flux sanguin, et ces cellules spécialisées sont importantes pour développer un nouveau réseau d’artères afin d’apporter des nutriments et de l’oxygène aux cardiomyocytes après que le cœur ait été endommagé. La capacité potentielle des cellules souches embryonnaires et adultes à se développer en ces types de cellules dans le cœur endommagé est actuellement étudiée dans le cadre d’une stratégie visant à restaurer la fonction cardiaque chez les personnes ayant subi une crise cardiaque ou souffrant d’insuffisance cardiaque congestive. Il est important de ne pas confondre les travaux sur les cellules souches avec les rapports récents selon lesquels les myocytes cardiaques humains peuvent subir une division cellulaire après un infarctus du myocarde. Ces travaux suggèrent que les cellules cardiaques lésées peuvent passer d’un état quiescent à une division cellulaire active. Cette capacité n’est pas différente de celle d’une foule d’autres cellules de l’organisme qui commencent à se diviser après une blessure. Rien ne prouve encore qu’il existe de véritables cellules souches dans le cœur, capables de proliférer et de se différencier.

Les chercheurs savent désormais que dans des conditions de croissance très spécifiques dans des boîtes de culture en laboratoire, les cellules souches peuvent être incitées à se développer en nouveaux cardiomyocytes et en cellules endothéliales vasculaires. Les scientifiques souhaitent exploiter cette capacité pour fournir un tissu de remplacement pour le cœur endommagé. Cette approche présente d’immenses avantages par rapport à la transplantation cardiaque, notamment en raison de la rareté des cœurs de donneurs disponibles pour répondre aux besoins actuels en matière de transplantation.

Quelles sont les preuves qu’une telle approche pour restaurer la fonction cardiaque pourrait fonctionner ? Dans le laboratoire de recherche, les investigateurs utilisent souvent un modèle de souris ou de rat de crise cardiaque pour étudier de nouvelles thérapies (voir Figure 9.1. Modèle d’infarctus du myocarde chez le rongeur). Pour créer une crise cardiaque chez la souris ou le rat, une ligature est placée autour d’un vaisseau sanguin majeur desservant le muscle cardiaque, privant ainsi les cardiomyocytes de leurs apports en oxygène et en nutriments. Au cours de l’année écoulée, les chercheurs utilisant ces modèles ont fait plusieurs découvertes clés qui ont suscité l’intérêt pour l’application des cellules souches adultes à la réparation du muscle cardiaque dans les modèles animaux de maladies cardiaques.

Figure 9.1. Modèle rongeur d’infarctus du myocarde.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Récemment, Orlic et ses collègues ont fait état d’une application expérimentale des cellules souches hématopoïétiques pour la régénération des tissus du cœur. Dans cette étude, une crise cardiaque a été induite chez des souris en ligaturant un vaisseau sanguin majeur, l’artère coronaire principale gauche. Grâce à l’identification de marqueurs de surface cellulaires uniques, les chercheurs ont ensuite isolé un groupe sélectionné de cellules primitives adultes de la moelle osseuse ayant une grande capacité à se développer en cellules de types multiples. Injectées dans la paroi endommagée du ventricule, ces cellules ont entraîné la formation de nouveaux cardiomyocytes, d’endothélium vasculaire et de cellules musculaires lisses, générant ainsi un myocarde de novo, y compris des artères coronaires, des artérioles et des capillaires. Le myocarde nouvellement formé occupait 68 % de la partie endommagée du ventricule neuf jours après la transplantation des cellules de moelle osseuse, remplaçant ainsi le myocarde mort par un tissu vivant et fonctionnel. Les chercheurs ont constaté que les souris qui ont reçu les cellules transplantées ont survécu en plus grand nombre que les souris victimes d’une crise cardiaque qui n’ont pas reçu les cellules souches de souris. Des expériences de suivi sont actuellement menées pour prolonger la période d’analyse post-transplantation afin de déterminer les effets à plus long terme de cette thérapie . La réparation partielle du muscle cardiaque endommagé suggère que les cellules souches hématopoïétiques de souris transplantées ont répondu à des signaux dans l’environnement proche du myocarde lésé. Les cellules ont migré vers la région endommagée du ventricule, où elles se sont multipliées et sont devenues des cellules “spécialisées” qui semblaient être des cardiomyocytes.

Une deuxième étude, réalisée par Jackson et al , a démontré que le tissu cardiaque peut être régénéré dans le modèle de crise cardiaque de la souris par l’introduction de cellules souches adultes provenant de la moelle osseuse de la souris. Dans ce modèle, les chercheurs ont purifié une “population latérale” de cellules souches hématopoïétiques à partir d’une souche de souris génétiquement modifiée. Ces cellules ont ensuite été transplantées dans la moelle de souris létalement irradiées environ 10 semaines avant que les souris receveuses ne soient soumises à une crise cardiaque par la ligature d’un autre vaisseau sanguin majeur du cœur, l’artère coronaire descendante antérieure gauche (LAD). Deux à quatre semaines après la lésion cardiaque induite, le taux de survie était de 26 %. Comme dans l’étude d’Orlic et al. l’analyse de la région entourant le tissu endommagé chez les souris survivantes a montré la présence de cardiomyocytes et de cellules endothéliales provenant du donneur. Ainsi, les cellules souches hématopoïétiques de souris transplantées dans la moelle osseuse avaient répondu aux signaux du cœur blessé, migré vers la région limitrophe de la zone endommagée et s’étaient différenciées en plusieurs types de tissus nécessaires à la réparation cardiaque. Cette étude suggère que les cellules souches hématopoïétiques de souris peuvent être délivrées au cœur par la transplantation de moelle osseuse ainsi que par injection directe dans le tissu cardiaque, fournissant ainsi une autre stratégie thérapeutique possible pour régénérer le tissu cardiaque lésé.

Une autre preuve de thérapies potentielles à base de cellules souches pour les maladies cardiaques est fournie par une étude qui a montré que les cellules souches adultes humaines prélevées dans la moelle osseuse sont capables de donner naissance à des cellules endothéliales vasculaires lorsqu’elles sont transplantées dans des rats . Comme dans l’étude de Jackson, ces chercheurs ont provoqué une crise cardiaque en ligaturant l’artère coronaire LAD. Ils ont pris grand soin d’identifier une population de cellules souches hématopoïétiques humaines qui donnent naissance à de nouveaux vaisseaux sanguins. Ces cellules souches font preuve de plasticité, ce qui signifie qu’elles deviennent des types de cellules qu’elles ne seraient pas normalement. Les cellules ont été utilisées pour former de nouveaux vaisseaux sanguins dans la zone endommagée du cœur des rats et pour encourager la prolifération de la vascularisation préexistante après la crise cardiaque expérimentale.

Comme les cellules souches de souris, ces cellules souches hématopoïétiques humaines peuvent être induites dans les conditions de culture appropriées pour se différencier en de nombreux types de tissus, y compris le muscle cardiaque (voir la figure 9.2. Réparation du muscle cardiaque avec des cellules souches adultes). Lorsqu’elles ont été injectées dans la circulation sanguine menant au cœur endommagé du rat, ces cellules ont empêché la mort des cellules myocardiques hypertrophiées ou épaissies mais autrement viables et ont réduit la formation progressive de fibres de collagène et de cicatrices. Les rats témoins qui ont subi une intervention chirurgicale avec une artère coronaire LAD intacte, ainsi que les rats ligaturés LAD auxquels on a injecté une solution saline ou des cellules témoins, n’ont pas montré d’augmentation du nombre de vaisseaux sanguins. En outre, les cellules hématopoïétiques ont pu être identifiées sur la base de marqueurs cellulaires hautement spécifiques qui les différencient des cellules précurseurs de cardiomyocytes, ce qui permet d’utiliser ces cellules seules ou en association avec des stratégies de régénération des myocytes ou des thérapies pharmacologiques. (Pour en savoir plus sur les marqueurs de cellules souches, voir l’annexe E.i. Comment les chercheurs utilisent-ils les marqueurs pour identifier les cellules souches ?)

Figure 9.2. Réparation du muscle cardiaque avec des cellules souches adultes

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

De nouvelles avancées excitantes dans la régénération des cardiomyocytes sont réalisées dans la recherche sur les cellules souches embryonnaires humaines. En raison de leur capacité à se différencier en n’importe quel type de cellule dans le corps adulte, les cellules souches embryonnaires sont une autre population source possible pour les cellules de réparation cardiaque. La première étape de cette application a été franchie par Itskovitz-Eldor et al. qui ont démontré que les cellules souches embryonnaires humaines peuvent se différencier de manière reproductible en culture en corps embryoïdes constitués de types de cellules provenant des trois couches germinales embryonnaires du corps. Parmi les différents types cellulaires notés, on trouve des cellules qui ont l’apparence physique de cardiomyocytes, qui présentent des marqueurs cellulaires compatibles avec les cellules cardiaques et qui démontrent une activité contractile similaire à celle des cardiomyocytes lorsqu’elles sont observées au microscope.

Dans la continuité de ces premiers travaux, Kehat et al. ont mis en évidence des propriétés structurelles et fonctionnelles de cardiomyocytes de stade précoce dans les cellules qui se développent à partir des corps embryoïdes. Les cellules qui ont une activité de contraction spontanée sont identifiées positivement en utilisant des marqueurs avec des anticorps à la chaîne lourde de myosine, à l’alpha-actinine, à la desmine, à la protéine antinaturitique et à la troponine cardiaque – toutes des protéines trouvées dans le tissu cardiaque. Ces chercheurs ont effectué une analyse génétique de ces cellules et ont constaté que les gènes des facteurs de transcription exprimés correspondent aux cardiomyocytes de stade précoce. Les enregistrements électriques de ces cellules, les changements dans le mouvement des ions calcium à l’intérieur des cellules et la réactivité contractile à la stimulation par les hormones catécholamines étaient similaires aux enregistrements, aux changements et à la réactivité des cardiomyocytes précoces observés au cours du développement des mammifères. Une prochaine étape dans cette recherche est de voir si la preuve expérimentale de l’amélioration du résultat d’une crise cardiaque chez les rongeurs peut être reproduite en utilisant des cellules souches embryonnaires.

Ces découvertes révolutionnaires dans les modèles de rongeurs présentent de nouvelles opportunités pour utiliser les cellules souches pour réparer le muscle cardiaque endommagé. Les résultats des études discutées ci-dessus sont des preuves croissantes que les cellules souches adultes peuvent se développer en plus de types de cellules qu’on ne le pensait au départ. Dans ces études, les cellules souches hématopoïétiques semblent pouvoir se développer non seulement en sang, mais aussi en muscle cardiaque et en tissu endothélial. Cette capacité des cellules souches adultes, de plus en plus appelée “plasticité”, pourrait faire de ces cellules un candidat viable pour la réparation du cœur. Mais cette preuve n’est pas complète ; les populations de cellules souches hématopoïétiques de souris qui donnent naissance à ces cellules de remplacement ne sont pas homogènes. Elles sont plutôt enrichies en cellules d’intérêt par des facteurs de stimulation spécifiques et sélectifs qui favorisent la croissance cellulaire. Ainsi, la population cellulaire d’origine de ces cellules injectées n’a pas été identifiée, et il est possible d’inclure d’autres populations cellulaires qui pourraient entraîner le rejet des cellules transplantées par le receveur. Il s’agit d’un problème majeur auquel il faut faire face dans les applications cliniques, mais il n’est pas aussi pertinent dans les modèles expérimentaux décrits ici car les rongeurs ont été élevés pour être génétiquement similaires.

Quelles sont les implications pour l’extension de la recherche sur la croissance différenciée des tissus de remplacement pour les cœurs endommagés ? Il existe certains aspects pratiques de la production d’un nombre suffisant de cellules pour une application clinique. La réparation d’un seul cœur humain endommagé nécessiterait probablement des millions de cellules. La capacité unique des cellules souches embryonnaires à se répliquer en culture peut leur conférer un avantage sur les cellules souches adultes en fournissant un grand nombre de cellules de remplacement en culture tissulaire à des fins de transplantation. Compte tenu de l’état actuel de la science, on ne sait pas comment les cellules souches adultes pourraient être utilisées pour générer suffisamment de muscle cardiaque à l’extérieur du corps pour répondre à la demande des patients .

Bien qu’il y ait beaucoup d’excitation parce que les chercheurs savent maintenant que les cellules souches adultes et embryonnaires peuvent réparer le tissu cardiaque endommagé, de nombreuses questions restent à résoudre avant de pouvoir faire des applications cliniques. Par exemple, combien de temps les cellules de remplacement continueront-elles à fonctionner ? Les modèles de recherche sur les rongeurs reflètent-ils fidèlement les conditions cardiaques humaines et les réactions à la transplantation ? Ces nouveaux cardiomyocytes de remplacement dérivés de cellules souches ont-ils les capacités de conduction de signaux électriques des cellules du muscle cardiaque natif ?

Les cellules souches pourraient bien servir de base à la construction d’une future forme de “thérapie cellulaire”. Dans les modèles animaux actuels, le temps qui s’écoule entre la lésion cardiaque et l’application de cellules souches influe sur le degré de régénération, ce qui a de réelles implications pour le patient qui se précipite sans préparation aux urgences à la suite d’une crise cardiaque. À l’avenir, les cellules du patient pourraient-elles être prélevées et multipliées pour être utilisées de manière efficace ? Ou encore, les patients à risque peuvent-ils faire don de leurs cellules à l’avance, ce qui minimiserait la préparation nécessaire à l’administration des cellules ? En outre, ces cellules souches peuvent-elles être génétiquement “programmées” pour migrer directement vers le site de la lésion et synthétiser immédiatement les protéines cardiaques nécessaires au processus de régénération ? Les chercheurs utilisent actuellement des cellules souches de toutes origines pour répondre à ces questions, offrant ainsi un avenir prometteur aux thérapies de réparation ou de remplacement du cœur endommagé et s’attaquant aux principales causes de décès de la Nation.

1. Beltrami, A.P., Urbanek, K., Kajstura, J., Yan, S.M., Finato, N., Bussani, R., Nadal-Ginard, B., Silvestri, F., Leri, A., Beltrami, C.A., et Anversa, P. (2001). Evidence that human cardiac myocytes divide after myocardial infarction. N. Engl. J. Med. 344, 1750-1757.
2. Itskovitz-Eldor, J., Schuldiner, M., Karsenti, D., Eden, A., Yanuka, O., Amit, M., Soreq, H., et Benvenisty, N. (2000). Differentiation of human embryonic stem cells into embryoid bodies comprising the three embryonic germ layers. Mol. Med. 6, 88-95.
3. Jackson, K.A., Majka, S.M., Wang, H., Pocius, J., Hartley, C.J., Majesky, M.W., Entman, M.L., Michael, L.H., Hirschi, K.K., et Goodell, M.A. (2001). Régénération du muscle cardiaque ischémique et de l’endothélium vasculaire par des cellules souches adultes. J. Clin. Invest. 107, 1-8.
4. Kehat, I., Kenyagin-Karsenti, D., Druckmann, M., Segev, H., Amit, M., Gepstein, A., Livne, E., Binah, O., Itskovitz-Eldor, J., et Gepstein, L. (2001). Human embryonic stem cells can differentiate into myocytes portraying cardiomyocytic structural and functional properties. J. Clin. Invest. (sous presse)
5. Kessler, P.D. et Byrne, B.J. (1999). Greffe de cellules myoblastes dans le muscle cardiaque : biologie cellulaire et applications potentielles. Annu. Rev. Physiol. 61, 219-242.
6. Kocher, A.A., Schuster, M.D., Szabolcs, M.J., Takuma, S., Burkhoff, D., Wang, J., Homma, S., Edwards, N.M., et Itescu, S. (2001). Neovascularization of ischemic myocardium by human bone-marrow-derived angioblasts prevents cardiomyocyte apoptosis, reduces remodeling and improves cardiac function. Nat. Med. 7, 430-436.
7. Lanza, R., communication personnelle.
8. Orlic, D., communication personnelle.
9. Orlic, D., Kajstura, J., Chimenti, S., Jakoniuk, I., Anderson, S.M., Li, B., Pickel, J., McKay, R., Nadal-Ginard, B., Bodine, D.M., Leri, A., et Anversa, P. (2001). Les cellules de moelle osseuse régénèrent le myocarde infarci. Nature. 410, 701-705.
10. Pittenger, M.F., Mackay, A.M., Beck, S.C., Jaiswal, R.K., Douglas, R., Mosca, J.D., Moorman, M.A., Simonetti, D.W., Craig, S., et Marshak, D.R. (1999). Potentiel multilinéaire des cellules souches mésenchymateuses humaines adultes. Science. 284, 143-147.

Chapitre 8 | Table des matières | Chapitre 10

Contenu historique : 17 juin 2001