Les chercheurs de l’Inserm ont réussi à filmer des molécules biologiques d’à peine 5 nanomètres (1) en mouvement. Cette prouesse technique  encore inenvisageable il y a quelques années a été réalisée par l’équipe de chercheurs dirigée par Simon Scheuring (Unité Inserm 1006 « Structure et assemblage des protéines membranaires dans la membrane native par microscopie à force atomique ») et s’appuie sur une méthode totalement inédite basée sur la microscopie à force atomique. Grâce à cette technique, les chercheurs peuvent maintenant visualiser non seulement des molécules infiniment petites mais surtout leurs interactions avec leur environnement. Les champs d’applications sont nombreux puisque le dysfonctionnement des protéines de la membrane cellulaire est impliqué dans de nombreuses pathologies. Ces travaux sont parus dans la revue Nature Nanotechnology

Cependant, jusqu’à présent, il n’a pas été possible d’étudier simultanément la structure et la dynamique des membranes biologiques. Du fait de son épaisseur (environ 5 nanomètres), la membrane des cellules n’est pas visible via les techniques classiques de microscopie. L’astuce utilisée depuis longtemps par les chercheurs est d’utiliser des marqueurs fluorescents pour suivre ces molécules quasi invisibles. « Mais, même si l’on peut suivre la molécule d’intérêt, on ne peut pas voir son environnement. Et, la protéine de fluorescence parfois assez « grosse » peut parfois modifier la fonction de la molécule que l’on observe » explique Simon Scheuring.

Grâce à cette nouvelle technique de microscopie à force atomique à haute vitesse, les chercheurs de l’Inserm ont caractérisé le mouvement de protéines membranaires et étudié leur diffusion, leur dynamique et leur organisation. Les chercheurs ont pu acquérir des films qui montrent avec une résolution sans précédent la dynamique de ces protéines dans leur environnement. Et, là où seuls les acteurs figés avaient des chances d’apparaître sur la photo, les protéines mobiles peuvent finalement être visualisées au cours de leur déplacement.

Puis, ils ont réalisé une carte des interactions potentielles et le déplacement pour une protéine membranaire « Si les molécules ont de l’espace autour d’elles, elles se déplacent vite. En revanche, si l’espace qui l’entoure est dense, la probabilité de rencontrer d’autres molécules est plus forte, s’ensuivent alors des interactions. Ces partenariats sont parfois indispensables au fonctionnement correct des protéines » explique Simon Scheuring. C’est ce qui explique qu’avec seulement environ 20 000 gènes (donc environ 20 000 protéines), un grand nombre de fonctions cellulaires peuvent être assurées.

Cette première étape fondamentale pourrait trouver de nombreuses applications médicales dès lors que les chercheurs s’intéresseront à des protéines impliquées dans certaines pathologies. Les protéines membranaires représentent près de 60 % des cibles des médicaments. Aussi, connaître les mécanismes en œuvre dans ces interactions permettra à terme d’interférer avec eux et pouvoir moduler les fonctions biologiques correspondantes pour mieux les étudier ou les contrôler. A ce jour, une étude sur les interactions des aquaporines dans la membrane du cristallin de l’œil par microscopie à force atomique à haute vitesse est en cours d’évaluation scientifique.

L’asthme est une maladie chronique inflammatoire et respiratoire causée par une réactivité anormale contre des allergènes de l’environnement. Parmi les nouvelles pistes actuellement en développement, la vaccination est l’une des approches prometteuses. Dans une publication à paraitre dans la revue Human Gene Therapy, les chercheurs de l’Inserm et du CNRS (« Institut du thorax » CNRS/Inserm/Université de Nantes) décrivent un vaccin novateur contre un des allergènes les plus rencontrés chez les patients asthmatiques. L’administration directe du vaccin dans le muscle d’une souris asthmatique grâce à un nanovecteur réduit significativement l’hypersensibilité à l’allergène et la réponse inflammatoire associée.

L’asthme allergique est une maladie respiratoire chronique affectant 300 millions de personnes dans le monde. Le nombre d’individus asthmatiques a doublé ces dix dernières années et près de 250 000 personnes meurent prématurément chaque année en raison de cette affection. Dans la majorité des cas, l’asthme est causé par une réactivité anormale à des substances de l’environnement appelées allergènes. D’un point de vue physiologique, cette hypersensibilité se traduit par une inflammation importante au niveau des bronches et des bronchioles des individus. Leur capacité à respirer correctement est alors altérée.

Le traitement actuel consiste à administrer des corticoïdes qui traitent les symptômes et suspendent temporairement la maladie sans toutefois la guérir. Un traitement alternatif et pérenne de l’asthme allergique est basé sur un protocole d’immunothérapie spécifique communément appelé « désensibilisation ». L’administration répétée de doses croissantes d’allergène vise à diminuer l’hypersensibilité et réduire les symptômes lors d’une exposition ultérieure. Néanmoins, l’efficacité de ce protocole reste limitée et très variable selon les patients.

Les chercheurs ont donc imaginé une technique de vaccination basée sur l’ADN de la substance allergisante. « Plutôt que d’administrer des extraits d’allergènes de manière répétée afin de diminuer la sensibilité, nous avons travaillé à partir de séquences d’ADN spécifiques (de l’allergène) responsables de l’allergie. Quelques études ont montré le potentiel thérapeutique de cette stratégie mais il fallait trouver des techniques s’assurant de la faisabilité chez l’homme », explique Bruno Pitard, Directeur de l’équipe Innovations en Biothérapie de l’Institut du thorax (CNRS/Inserm/Université de Nantes). Le passage à l’homme exige effectivement que le traitement soit efficace à partir d’une faible dose d’ADN injectée.

Les chercheurs ont d’abord cherché à prouver l’efficacité de cette vaccination à base d’ADN contre l’allergène spécifique, Derf1, dans un modèle animal pertinent mis au point par l’Equipe Pathologies Bronchiques et Allergies dirigée par Antoine Magnan. En Europe, Dermatophagoides farinae 1 (Derf1) est en effet un allergène très commun véhiculé par l’acarien Dermatophagoides farinae. Plus de la moitié des patients allergiques aux acariens produisent des anticorps de type IgE spécifiques (Derf1) contre cette substance et caractéristiques de la maladie.

En pratique, les chercheurs ont associé les séquences génétiques d’intérêt de l’allergène Derf1 avec un nanovecteur constitué d’un polymère synthétique. Cette séquence d’ADN, transportée par une sorte de « taxi moléculaire » dans les cellules musculaires, assurant la synthèse protéique de l’allergène, a permis de moduler la réponse allergique aux acariens chez les animaux asthmatiques (1).

Le vaccin mis au point dans un modèle de souris saines a ensuite été optimisé dans un modèle de souris asthmatiques. Chez ces dernières il déclenche une fabrication d’anticorps spécifiques anti Derf1 et une réponse cellulaire spécifique de Derf1, orientant ainsi le système immunitaire vers une réponse non allergisante, protectrice lorsque l’allergène est rencontré. Les deux injections nécessaires et administrées à 3 semaines d’intervalle ont réduit de manière significative l’hypersensibilité des voies aériennes et les niveaux de cytokines inflammatoires qui étaient en revanche présentes dans les poumons de souris asthmatiques non vaccinées.

Ces nouveaux résultats valident tout le potentiel de ce nouveau nanovecteur pour la vaccination à ADN, et est en cours de développement préclinique réglementaire pour les futurs essais cliniques chez l’Homme.

Note
(1) Récemment, cette nouvelle classe de vecteur a aussi été utilisée pour traiter le carcinome hépatocellulaire (cf communiqué de presse du 9 septembre 2010) « Une bonne cible et un bon vecteur pour une stratégie d’immunothérapie efficace contre le cancer ! »

A l’heure où débutent les premiers essais cliniques de médecine régénératrice à partir de cellules souches pluripotentes, les équipes de l’Institut I-Stem dirigé par Marc Peschanski (Directeur de Recherche Inserm) continuent d’explorer les critères de qualité qui doivent s’imposer pour préserver au mieux la sécurité des patients. Il y a trois ans, une équipe d’I-Stem avait ainsi identifié une anomalie génomique qui apparaissait très fréquemment dans les lignées de cellules indifférenciées lorsque celles-ci étaient poussées à réaliser de trop nombreux cycles de prolifération (1). Cette même équipe dirigée par Nathalie Lefort (Ingénieur de Recherche Inserm) démontre aujourd’hui l’apparition systématique d’une anomalie génomique dans les cellules souches neurales différenciées à partir de ces lignées, après quelques dizaines de cycles de réplication. Le détail de ce travail paraît dans The Journal of Clinical Investigation daté du 24 janvier. Ces travaux ont été soutenus par l’Inserm et l’AFM grâce aux dons du Téléthon.

Les cellules souches pluripotentes ont la capacité de se différencier en n’importe quelle cellule de l’organisme lorsqu’elles sont soumises à un environnement adéquat. A ce titre, elles représentent un espoir majeur pour soigner de nombreuses maladies dégénératives, puisque l’on peut envisager de les utiliser pour remplacer les cellules malades ou perdues. L’agence réglementaire américaine (FDA) a autorisé l’an dernier le lancement des premiers essais cliniques de thérapie cellulaire fondés sur des cellules différenciées à partir de cellules souches pluripotentes. Dans tous ces essais en cours, il s’agit de cellules progénitrices du système nerveux (central ou rétinien).

L’équipe de Nathalie Lefort s’est intéressée à des progéniteurs neuraux de même nature, issus de la différenciation de cellules souches pluripotentes d’origine embryonnaire ou de lignées « iPS », induites à la pluripotence par reprogrammation génique de cellules adultes. Les chercheurs ont eu la surprise d’observer qu’elles pouvaient être cultivées pendant de très longues périodes – bien au-delà d’une centaine de cycles de réplication – sans jamais entrer en sénescence. Il s’agissait d’une surprise car toutes les cellules de l’organisme sont programmées pour accomplir un nombre limité de divisions avant d’entrer en sénescence, en général de l’ordre de quelques dizaines.

La survenue de certaines anomalies chromosomiques peut conférer aux cellules mutées la capacité de se diviser à l’infini. Nathalie Lefort et ses collaborateurs ont donc recherché ces anomalies. Ils les ont trouvées dans les progéniteurs neuraux qu’ils avaient cultivés. De façon très intéressante, il ne s’agissait pas de désordres aléatoires. Un seul type de remaniement chromosomique a été observé : la duplication du bras long du chromosome 1 (bras 1q) accompagnée d’une translocation de ce bras surnuméraire sur un autre chromosome (aléatoire). Ce type d’anomalie chromosomique a déjà été décrit dans des hémopathies malignes sous le nom de « translocation sauteuse », ainsi que parfois dans des tumeurs solides (cancers du sein, hépatocarcinomes, rétinoblastomes, tumeurs cérébrales pédiatriques). La présence de ce remaniement chromosomique est toujours associée à un mauvais pronostic chez les patients. Ces nouvelles données montrent donc que, lors de la culture à long terme de progéniteurs neuraux dérivés de cellules souches pluripotentes, la duplication du bras 1q fournit un avantage prolifératif qui aboutit à la sélection des cellules anormales. Autre résultat complémentaire très intéressant de cette étude : il ne s’agit pas de l’une des anomalies chromosomiques identifiées dans les cellules souches pluripotentes indifférenciées, ce qui signifie qu’elle ne préexistait pas à la différenciation des progéniteurs neuraux, elle est apparue ensuite.

Cette découverte donne la possibilité aux chercheurs et cliniciens de repérer cette anomalie récurrente à toutes les étapes de la thérapie cellulaire et d’éliminer ainsi systématiquement les préparations qui seraient susceptibles de présenter un risque pour le patient.

Note 
(1) Lefort N et al., Human embryonic stem cells reveal recurrent genomic instability at 20q11.21. Nature Biotechnology 2008 ; 26 : 1364-6

Après avoir reconstitué un épiderme à partir de cellules souches pluripotentes en 2009 (1), l’équipe de Christine Baldeschi de l’Institut I-STEM (2) (I-STEM/Inserm UEVE U861/AFM), dirigé par Marc Peschanski, vient de lui donner sa couleur : les chercheurs ont obtenu in vitro, avec la même stratégie, des mélanocytes fonctionnels, ces cellules qui pigmentent la peau et la protège des rayons UV. Cette ressource cellulaire illimitée pourrait à terme être proposée, comme alternative thérapeutique, aux patients atteints de troubles de la pigmentation de la peau, d’origine génétique ou non, tels que le Vitiligo. Des travaux financés notamment grâce aux dons du Téléthon.

Ces travaux, publiés dans la revue PNAS, sont disponibles en ligne

Une des fonctions de la peau est de protéger le corps des rayons UV (ultraviolets) du soleil. Cette tâche est assurée par des cellules pigmentées: les mélanocytes. En libérant de la mélanine, le pigment qui colore la peau, ils protègent les autres cellules de l’épiderme (kératinocytes) des effets mutagènes des rayons UV.

A l’heure actuelle, la thérapie cellulaire utilisée pour traiter les troubles de la pigmentation de la peau, est réalisée par autogreffe. Or, cette stratégie n’est efficace que s’il existe des zones non atteintes à côté des zones hypopigmentées, ce qui est le cas pour le vitiligo mais pas pour de nombreuses autres pathologies telles que l’albinisme. Pour répondre à cette contrainte, les chercheurs se sont penchés sur une stratégie alternative fondée sur une approche allogénique : utiliser une source externe et illimitée de cellules pigmentées parfaitement contrôlées.

En 2009, l’équipe était parvenue pour la première fois à obtenir les cellules de l’épiderme (kératinocytes) qui permettent le renouvellement constant de la peau, à partir de cellules souches pluripotentes d’origine embryonnaire. Forts de ces résultats publiés dans la revue The Lancet (novembre 2009) l’équipe vient aujourd’hui de franchir une nouvelle étape en identifiant le procédé de différenciation permettant de dériver des cellules souches, d’origine embryonnaire (hES) ou induites à la pluripotence (iPS), en une population pure et homogène de mélanocytes capables de produire de la mélanine et de s’intégrer à l’épiderme.

Comment obtenir des mélanocytes fonctionnels à partir de cellules souches ?

Les cellules souches pluripotentes, d’origine embryonnaire (hES) ou induites (iPS), possèdent deux caractéristiques fondamentales : une capacité d’expansion illimitée et une capacité de pluripotence c’est-à-dire à se différencier vers tous les types cellulaires du corps humain.

L’équipe du Dr Christine Baldeschi a identifié quelles étaient les conditions expérimentales nécessaires à la différenciation des cellules pluripotentes en cellules pigmentées (mélanocytes) semblables à celles naturellement présentes chez l’homme au sein de l’épiderme. Une fois isolées et amplifiées in vitro, ces cellules présentent les mêmes caractéristiques que des mélanocytes adultes (cf. figure 2.a ci-contre).

Ensuite, à partir de cette culture, les chercheurs ont étudié la fonctionnalité des mélanocytes ainsi obtenus. Ils ont démontré qu’ils étaient à la fois capables de s’insérer dans leur niche au niveau de la couche basale de l’épiderme (cf. figure 1) et de communiquer avec les kératinocytes avoisinant, comme c’est le cas physiologiquement au niveau de l’épiderme. En analysant des cocultures, l’équipe de recherche a mis en évidence que ces mélanocytes pouvaient transférer leur mélanine aux kératinocytes qui constituent l’épiderme (cf. figure 2.b ci-contre).

« Cette communication cellulaire est fondamentale, à la fois pour protéger les kératinocytes suite aux stress que sont les rayons ultraviolets, et également pour repigmenter la peau après une éventuelle greffe » expliquent Christine Baldeschi et Xavier Nissan.

Pour les chercheurs, les perspectives de ce travail sont grandes. « Ces cellules « toutes prêtes » seront proposées pour le traitement des patients atteints de Vitiligo mais également pour d’autres pathologies affectant la pigmentation pouvant être d’origines génétiques telles que les syndromes de Waardenburg et le syndrome de Griscelli »,affirme Marc Peschanski, directeur de recherche Inserm et directeur d’I-STEM.

Notes :
(1) 2009 : Première reconstitution d’un épiderme à partir de cellules souches embryonnaires humaines
(2) I-STEM: Institut des cellules souches pour le traitement et l’étude des maladies monogéniques crée le 1er janvier 2005. L’Inserm, l’Université d’Evry-Val-d’Essonne et l’AFM en sont les membres fondateurs.

L’idée n’est pas nouvelle, mais le système utilisé par les chercheurs de l’Inserm est inédit. Alain Berdeaux, Renaud Tissier et leurs collaborateurs de l’Unité Inserm 955 (Institut Mondor de recherche biomédicale) viennent d’apporter une nouvelle preuve au fait que le refroidissement très rapide de l’organisme permet de protéger les organes vitaux après un arrêt cardiaque. La technique mise au point chez l’animal consiste à refroidir l’organisme après un arrêt cardiaque en administrant dans les poumons des liquides riches en fluor. Ce système permet d’une part l’apport d’oxygène au poumon grâce à une « ventilation liquide » et, d’autre part d’abaisser la température corporelle jusqu’à 32°C très rapidement pour créer une hypothermie à visée thérapeutique. Celle-ci limite les séquelles après un arrêt cardiaque chez le petit animal.

Les résultats, publiés dans la revue Circulation, sont disponibles en ligne

Chaque année, environ 50 000 personnes font l’objet en France d’un arrêt cardiaque brutal en dehors du secteur hospitalier. La prise en charge de ces patients est une urgence absolue puisque chaque minute suivant l’arrêt cardiaque est cruciale. Si la circulation du sang n’est pas rétablie dans les 3-4 minutes après l’accident par une réanimation d’urgence, les organes vitaux (cœur, cerveau, foie, reins) commencent à souffrir du manque d’oxygène. Lorsque les secours arrivent à faire repartir le cœur, des séquelles sont alors fréquentes pour ces organes vitaux.

De nombreuses études ont déjà prouvé par le passé l’importance d’un refroidissement pour améliorer la survie et pour limiter les séquelles neurologiques chez des patients réanimés après un arrêt cardiaque. Chez le petit animal, il a aussi été montré que le bénéfice apporté par ce refroidissement dépendait de la vitesse à laquelle il était instauré après un arrêt cardiaque. Les travaux menés par les chercheurs de l’Inserm au sein de l’Institut Mondor de recherche biomédicale et de l’Ecole Vétérinaire d’Alfort démontrent l’efficacité d’un dispositif rapide permettant de faire face à cette exigence de réactivité.

Alain Berdeaux, Renaud Tissier et leurs collaborateurs ont développé chez le petit animal un système expérimental (cf. schéma ci-dessous) qui permet d’administrer des liquides riches en fluor (perfluorocarbones) dans les poumons pour établir une forme de respiration basée sur des liquides et non plus des gaz. On parle alors de « ventilation liquide ». Ces liquides présentent un double avantage : la teneur en oxygène du perfluorocarbone peut être assez élevée pour que les poumons continuent de fonctionner et sa température d’administration permet une hypothermie thérapeutique. S’il est administré à une température inférieure à la température corporelle, son passage dans le poumon abaisse très rapidement la température de l’organisme jusqu’à environ 32°C pour créer des conditions favorables à la préservation du cœur et des autres organes vitaux.

Un épisode de ventilation liquide diminue la température du cœur et du cerveau à 32°C en environ 5 à 15 min chez des petits animaux. A cette température, le cœur continue de battre et l’organisme entre dans un état proche de l’hibernation. A titre de comparaison, l’application de substances très froides sur la peau des animaux nécessite environ 45 min pour induire un refroidissement comparable.

Chez les animaux ayant bénéficié de ce système expérimental, la survie et la qualité des tissus cérébraux et cardiaques ont été considérablement améliorés après un arrêt cardiaque de 5 à 10 minutes (cf. figure ci-contre). « Cette amélioration était très supérieure à celle obtenue avec d’autres stratégies permettant d’induire une hypothermie plus lente, renforçant à nouveau l’idée qu’il est essentiel d’agir vite après la réanimation cardio-pulmonaire » explique Renaud Tissier.

« Nous ne sommes pour l’instant qu’au stade des études précliniques menées chez l’animal mais les perspectives cliniques de ce travail sont importantes, notamment pour le traitement de l’arrêt cardiaque, dont le pronostic reste effroyable à ce jour » déclare Alain Berdeaux. Et de conclure : « Les férus de cinéma pourront largement faire le parallèle entre nos travaux et certaines séquences du film Abyss. » Quand la science-fiction devient réalité….

Ces travaux font l’objet d’un dépôt d’une demande de brevet par Inserm Transfert.

Une découverte présentée par Mickael Tanter, directeur de recherche à l’Inserm et ses collaborateurs (équipe « Physique des ondes pour la médecine » de l’Institut Langevin, CNRS/ESPCI) publient dans la revue Nature Methods, un article présentant une nouvelle technique d’imagerie très prometteuse : le fUltrasound (Ultrasons fonctionnels du cerveau). Cette technique d’imagerie basée sur l’étude des flux sanguins est ultrasensible. Elle permet de voir les changements très subtils de l’activité cérébrale. La résolution et la sensibilité de cette nouvelle technique offrent par exemple la possibilité de suivre le développement d’une crise d’épilepsie sur l’ensemble du cerveau d’un petit animal, chose impossible à l’heure actuelle en IRM fonctionnelle.

L’imagerie fMRI (IRM fonctionnelle) est une technique qui a révolutionné depuis plus de dix ans les neurosciences. Cette technique permet de voir l’activité cérébrale d’un patient en réponse à un stimulus (que ce soit visuel, auditif,…) en localisant l’afflux sanguin qui se produit dans la zone activée. L’IRM fonctionnelle est aujourd’hui incontournable en neurosciences et sciences cognitives au même titre que la Tomographie par émission de positons (TEP). Ces deux techniques ont toutefois un point faible : bien qu’elles pénètrent profondément dans les tissus, leur résolution et leur sensibilité sont limitées. En particulier, les images d’évènements transitoires et/ou touchant l’ensemble du cerveau (crises d’épilepsie par exemple) sont difficiles à obtenir.

Bien que l’échographie Doppler basée sur l’utilisation des ultrasons, soit couramment utilisée pour voir les flux sanguins en temps réel dans de nombreux organes, elle ne permettait pas jusqu’à maintenant d’observer les tout petits vaisseaux du cerveau et donc de visualiser l’activité cérébrale.

Pour dépasser les limites de l’échographie Doppler conventionnelle, les chercheurs de l’Inserm et du CNRS ont développé une méthode inédite et efficace sur les deux fronts : le fUltrasound (Ultrasons fonctionnels du cerveau) à la fois sensible (capable de filmer la vascularisation fine du cerveau) et conservant une excellente résolution dans le temps et dans l’espace. Pour augmenter considérablement la sensibilité de l’échographie conventionnelle, les chercheurs ont développé une imagerie ultrarapide, capable de mesurer les mouvements du sang sur l’ensemble du cerveau plusieurs milliers de fois par seconde (contre quelques dizaines de fois jusqu’alors). Cette augmentation du nombre de mesures permet de détecter le flux dans de très petits vaisseaux, dont les variations subtiles sont liées à l’activité cérébrale.

Pour tester l’efficacité de cette nouvelle technique, les chercheurs de son équipe, Gabriel Montaldo et Emilie Macé, ont collaboré avec deux chercheurs du centre de recherche de l’Institut du Cerveau et de la Moëlle épinière pour filmer en temps réel :

• La réponse du cortex cérébral lorsqu’on stimule les moustaches d’un rongeur :

Lorsque les chercheurs stimulent les moustaches (vibrisses) d’un rongeur, un afflux sanguin apparait très nettement au niveau du cortex somatosensoriel de l’animal, signe d’une activité dans cette zone.

• Le développement d’une crise d’épilepsie sur l’ensemble du cerveau d’un rat :

Au moment le plus fort de la crise, le volume sanguin augmente fortement dans les deux hémisphères du cerveau et des vagues se propagent lentement dans les différentes zones du cerveau.

Pour Mickaël Tanter et Mathias Fink, directeur de l’institut Langevin, le potentiel d’applications de cette nouvelle technique, qui possède l’avantage d’être portable et peu chère, est majeur. D’un point de vue clinique, elle pourrait être utilisée chez le nouveau-né pour qui l’IRMf est très difficile à réaliservoire chez le foetus pendant la grossesse et ainsi permettre de mieux comprendre le développement du cerveau. Chez l’adulte elle pourrait être utilisée pour localiser des foyers épileptogènes en imagerie per-opératoire. Côté recherche, les ultrasons fonctionnels devraient permettre aux biologistes de répondre à de nombreuses questions fondamentales en neurosciences en raison de la résolution spatiotemporelle et de la sensibilité non égalées de cette nouvelle approche d’imagerie.

Pour la première fois, grâce à des cellules souches embryonnaires humaines (hES) issues du diagnostic pré-implantatoire, les chercheurs de l’Inserm au sein de l’Institut des cellules souches pour le traitement et l’étude des maladies monogéniques (ISTEM- UEVE U861/AFM) ont réussi à identifier des mécanismes jusqu’alors inconnus impliqués dans la dystrophie myotonique de Steinert. Ce travail est publié le 31 mars 2011 dans la revue Cell Stem Cell et a été financé notamment grâce aux dons du Téléthon.

La dystrophie myotonique de Steinert est la plus fréquente des dystrophies musculaires de l’adulte. Sa prévalence est estimée à 1/8.000, soit environ 7 à 8000 malades en France. Elle est caractérisée par une lenteur anormale de la décontraction musculaire qui désorganise tous les mouvements, et par une atteinte concomitante de très nombreux autres organes. Il existe notamment des troubles du rythme cardiaque, une cataracte, des anomalies endocriniennes multiples, des troubles cognitifs et du sommeil… A ce jour, elle ne bénéficie d’aucun traitement curatif.

Un pari réussi

Pour identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques contre les maladies génétiques, les chercheurs font appel à des approches expérimentales qui utilisent des cellules portant dans leur génome les lésions causales et que l’on peut étudier en laboratoire. Jusqu’à aujourd’hui, les scientifiques n’avait accès qu’à deux types de cellules, celles obtenues par prélèvement chez des patients et celles crées par manipulation génétique en laboratoire. Ces ressources cellulaires ont permis d’avancer mais présentent chacune des limitations importantes : il est toujours difficile, et souvent impossible, d’obtenir par prélèvement les cellules de patients que l’on souhaite étudier (par exemple des neurones ou des cellules cardiaques…) ; il est, en parallèle, souvent compliqué d’interpréter des résultats obtenus à l’aide de cellules génétiquement modifiées qui ne reproduisent que partiellement les caractéristiques physiologiques.

Les cellules souches embryonnaires humaines se caractérisent par deux propriétés physiologiques qui permettent de surmonter ces obstacles. Elles sont capables à la fois de se diviser à l’infini en laboratoire et, une fois mises dans les conditions requises, de se spécialiser dans tous les types cellulaires de l’organisme. Elles donnent ainsi accès à des cellules parfaitement physiologiques, dans la quantité voulue quelle qu’elle soit, et dans le type voulu, quel qu’il soit. L’intérêt de ces cellules est renforcé par l’accès ouvert par le diagnostic pré-implantatoire à des cellules souches embryonnaires humaines porteuses d’une lésion du génome responsable de maladies génétiques.

Les utiliser pour identifier et comprendre les mécanismes associés à une maladie génétique est le pari qu’ont relevé les chercheurs d’I-Stem en utilisant des lignées de cellules souches embryonnaires humaines porteuses de la mutation causale de la dystrophie myotonique de Steinert. Grâce à la capacité de ces cellules à se spécialiser en neurones moteurs, les neurones qui contrôlent les muscles à partir de la moelle épinière, l’équipe co-dirigée par Cécile Martinat et Marc Peschanski a pu étudier l’effet de la mutation sur la formation de ces connexions neuro-musculaires. Des analyses comparatives entre les cellules provenant d’embryons affectés et celles provenant d’embryons sains ont permis d’associer à la maladie une pousse exubérante de prolongements neuronaux, paradoxalement associée à une réduction drastique du nombre de contacts synaptiques et donc de la transmission de l’information vers les muscles. Au niveau moléculaire, les chercheurs ont identifié deux gènes de la même famille, SLITRK 2 et 4, dont l’expression était très faible du fait de la maladie. La correction de ces défauts moléculaires jusqu’alors inconnus mais, depuis, confirmés chez les patients, induisait celle des anomalies neuro-musculaires, et démontrant le lien direct entre les deux phénomènes.

« Aucune autre approche expérimentale n’aurait permis aujourd’hui d’élucider ces mécanismes, en particulier parce qu’il n’existait pas de moyen d’accéder à des neurones moteurs humains porteurs de la maladie, explique Cécile Martinat, chargée de recherche à l’Inserm. Il n’existait pas a fortiori de moyen de produire de telles cellules en quantité, alors que cela est essentiel aux approches qui ont permis ici de déchiffrer les mécanismes en jeu. »

Aujourd’hui, ces travaux ouvrent un champ d’exploration considérable. Des dizaines de lignées cellulaires issues d’embryons porteurs d’autres maladies génétiques diverses, sont disponibles dans les banques de cellules des laboratoires. Parmi ces maladies, les équipes d’I-Stem sont déjà lancées, par exemple, sur la maladie de Huntington ou la neurofibromatose de type 1… Ces multiples lignées sont autant de programmes de modélisation pathologique à venir.

Au-delà, les équipes d’I-Stem ont déjà entrepris d’utiliser les cellules porteuses de la dystrophie myotonique de Steinert qu’elles ont caractérisées pour chercher des médicaments susceptibles de corriger les anomalies en laboratoire, premier pas vers la découverte éventuelle de traitements applicables chez les patients. Cette étape, dite de « criblage de médicaments », ouvre sur l’analyse parallèle de plusieurs dizaines de milliers de composés pharmacologiques par semaine.

Des chercheurs de l’Inserm à Toulouse dirigés par Stein Silva (Unité Inserm 825 « Imagerie cérébrale et handicaps neurologiques ») en collaboration avec l’Equipe d’Accueil « Modélisation des agressions tissulaires et nociceptives » (MATN IFR 150), se sont penchés avec intérêt sur les illusions décrites par de nombreux patients sous anesthésie régionale. Dans leur travail publié dans la revue Anesthesiology, les chercheurs ont montré que l’anesthésie d’un bras modifie l’activité du cerveau et altère rapidement notre façon de percevoir notre propre corps. L’objectif final : comprendre comment les circuits neuronaux se réorganisent à ce moment précis et profiter de l’anesthésie pour les reconfigurer correctement après un traumatisme. De cette manière, ces techniques anesthésiques pourraient être utilisées dans l’avenir pour traiter les douleurs dites de membres fantômes décrites par les patients amputés.

Depuis quelques années, la recherche en neurosciences a montré que le cerveau est une structure dynamique. C’est grâce à l’existence de ses propriétés plastiques que des phénomènes tels que l’apprentissage, la mémorisation ou la récupération après une agression cérébrale sont possibles. Cependant, cette plasticité cérébrale n’a pas toujours un rôle bénéfique.

Par exemple, certains patients amputés qui présentent des douleurs chroniques (douleurs dites de « membre fantôme ») ressentent leur membre disparu comme étant « encore présent »). Ces illusions de « membre fantôme » sont liées à l’apparition au sein du cerveau de représentations inadaptées du segment du corps disparu.

Or, les personnes qui subissent une anesthésie régionale(1) décrivent ces mêmes images faussées.

Forts de ces constatations, les chercheurs de l’Inserm ont voulu savoir si l’anesthésie, en dehors de sa fonction première, pouvait être à l’origine de phénomènes analogues au niveau cérébral. Dans ce cas, elle pourrait constituer un nouvel outil thérapeutique capable de moduler l’activité du cerveau.

© Stein Silva/Inserm

Une équipe dirigée par Stein Silva a donc suivi 20 personnes devant subir une anesthésie du bras avant une intervention chirurgicale. Des images 3D de mains sous différents angles de vues leur ont été soumises et leur capacité à reconnaitre une main droite d’une main gauche a été évaluée. Leurs performances reflétaient l’effet de l’anesthésie sur leur capacité à se représenter un schéma corporel correct.

A partir de ces tests, les chercheurs ont observé trois phénomènes :

– Tous les patients décrivent des sensations illusoires de leur bras (sensation de gonflement, différence de taille et de forme, posture imaginée).
– D’une façon générale, les patients sous anesthésie sont beaucoup plus lents à reconnaitre une main gauche d’une main droite et font beaucoup plus d’erreurs que ceux n’ayant pas subi d’anesthésie.
– De meilleures performances sont associées à la possibilité de voir le membre anesthésié. En d’autres termes, l’anesthésie d’une main (déafférentation périphérique[2]) modifie l’activité du cerveau et altère rapidement notre façon de percevoir le monde et notre propre corps.

Les chercheurs poursuivent actuellement leur travail pour caractériser précisément les régions cérébrales impliquées (imagerie cérébrale fonctionnelle). Dans l’avenir, ils espèrent également utiliser l’anesthésie à des fins thérapeutiques en modulant la plasticité post-lésionnelle (douleurs chroniques chez des patients amputés, amélioration de la récupération des cérébrolésés).

Pour Stein Silva, anesthésiste, chercheur à l’Inserm et principal auteur de l’étude, il faudra surement « développer des techniques d’anesthésie nouvelles qui permettront d’inhiber ou de stimuler directement des représentations cérébrales impliquées dans les phénomènes douloureux. »

(1) On parle ici d’anesthésie loco régionale. Elle se distingue de l’anesthésie locale (simple endormissement des tissus) par l’anesthésie du territoire desservi par un nerf ou un groupe de nerfs.
(2) Interruption, consécutive à l’anesthésie, du mécanisme neurologique permettant le « transport » des sensations provenant des voies afférentes.