La capacité des cellules souches à se différencier en une pléthore de cellules adultes distinctes a suscité un grand enthousiasme dans la littérature scientifique et les médias profanes. Cependant, après des années de recherche, les preuves tangibles de leur promesse restent insaisissables. Les cellules souches sont-elles une solution miracle pour les multiples pathologies de la colonne vertébrale ? Wellington Hsu (Evanston, États-Unis) et Mark Erwin (Toronto, Canada) évaluent la science derrière le battage médiatique.
L’une des applications potentielles les plus excitantes des cellules souches est la discopathie dégénérative. Pourquoi la régénération par les cellules souches serait-elle préférable à la discectomie ?
Wellington Hsu : La dégénérescence discale est probablement le principal problème clinique que les chirurgiens de la colonne vertébrale voient. Tout le monde a une dégénérescence discale à des niveaux variables et, lorsque cela provoque des douleurs lombaires, cela peut être débilitant. Cela coûte également des milliards de dollars aux systèmes de santé.
Malgré ce problème, nous n’avons pas vraiment de solution adéquate pour le résoudre.
Le seul traitement chirurgical de la discopathie dégénérative (DDD) consiste vraiment à retirer tout le disque et à fusionner ou remplacer ce segment. C’est une approche relativement extrême et agressive parce que nous ne préservons pas la physiologie du disque ou la biomécanique de ce segment. S’il existait une solution qui offrirait la capacité de régénérer le disque – pour rétablir ce que la nature avait prévu – alors, de l’avis de nombreux auteurs, les résultats pour ces patients pourraient être améliorés.
Mark Erwin : Il est important de noter que le traitement chirurgical traite les effets en aval du DDD, notamment les hernies discales, le remodelage osseux à l’interface disque/vertébral sous forme de barres ostéochondrales, ainsi que les ligaments hypertrophiques et la maladie des facettes. En tant que tel, le traitement chirurgical peut soulager les structures neurales comprimées et peut offrir une stabilité accrue aux segments vertébraux lorsque cela est nécessaire.
Cependant, les traitements chirurgicaux tels que la discectomie ne sont pas capables de traiter les problèmes fondamentaux du processus dégénératif lui-même : perte de cellules viables, dégénérescence de la matrice extracellulaire et propriétés biomécaniques compromises.
Le DDD progressif progressif se traduit par la perte de l’intégrité de la matrice extracellulaire du noyau pulpeux (NP) du disque intervertébral (DIV), accompagnée de fissures et de déchirures de l’annulus fibrosus (AF). Une autre caractéristique cardinale de la DDD est la perte progressive de cellules viables due à l’apoptose, la nécrose et l’autophagie, dont la somme totale conduit à un NP DIV plus acellulaire avec une homéostasie déréglée. Au fur et à mesure de la dégénérescence de la DIV, il y a une évolution vers un environnement pro-inflammatoire et catabolique, ce qui entraîne un cycle de rétroaction positive de dégénérescence supplémentaire et de compromission de la fonction de la DIV.
Une thérapie biologique à base de cellules efficace devrait atténuer la perte de cellules viables et le milieu pro-inflammatoire/catabolique de la DIV, et rétablir la régulation homéostatique. Selon le degré de DDD, des agents injectables pourraient fonctionner de cette manière. L’efficacité d’une telle approche dépendrait toutefois de cellules natives, non sénescentes et fonctionnelles qui pourraient à leur tour traduire les protéines nécessaires afin d’avoir un impact positif sur l’environnement de la DIV.
En théorie, le remplacement cellulaire pourrait réapprovisionner le NP de la DIV avec des cellules de novo capables de s’intégrer dans la matrice du NP et, via leurs propriétés sécrétoires, supprimer l’environnement dégénératif pro-catabolique, synthétiser de nouvelles protéines saines de la matrice extracellulaire qui pourraient aider au rétablissement de l’homéostasie de la DIV, et conférer des effets pro-survivants aux cellules résidentes du NP.
Des données convaincantes restent insaisissables
Les cellules souches pourraient être le type de cellules le plus approprié à ces fins en raison de leur plasticité de différenciation inhérente, de leurs propriétés anti-inflammatoires et de leur faible immunogénicité. Cependant, les données convaincantes soutenant un phénotype de destination « NP » restent insaisissables. Une recherche récente dans PubMed en utilisant comme terme de recherche « Stem cell therapy for degenerative disc disease » a donné 287 résultats, ce qui démontre le vif intérêt de la communauté scientifique.
Environ 30 études précliniques sur des animaux utilisant des cellules souches pour traiter la DDD ont été publiées, beaucoup démontrant des résultats positifs et d’autres rapportant des effets nuls ou aggravés. Actuellement, un certain nombre d’essais cliniques sur l’homme sont en cours et utilisent des cellules souches de diverses sources comme traitements potentiels de la DDD, mais il reste encore beaucoup à déterminer en termes de meilleur choix de cellule, de voie d’administration, de nombre de cellules, de sélection des patients et plus encore.
WH : De nombreuses méthodes différentes ont été proposées pour régénérer les disques humains. Les cellules souches semblent être une thérapie prometteuse, en grande partie parce que cette zone est avasculaire. Beaucoup de traitements alternatifs nécessitent un environnement richement vasculaire ; ils ont besoin de beaucoup de vaisseaux sanguins pour fournir au corps les composants nécessaires à la régénération des tissus.
Dans ce type d’environnement biologique, les cellules souches peuvent avoir le potentiel de fonctionner parce qu’elles peuvent théoriquement proliférer elles-mêmes. Elles peuvent aider à produire un micro-environnement sans apport vasculaire qui peut permettre à l’organisme de régénérer ce tissu.
Un traitement autologue pourrait également réduire certains des soucis liés à l’infection, au cancer et à d’autres complications qui pourraient survenir lors de la thérapie par cellules souches.
Par quels mécanismes les cellules souches pourraient-elles fonctionner pour aider à régénérer les disques ?
WH : Il y a vraiment deux mécanismes principaux par lesquels nous voyons les cellules souches fonctionner – non seulement pour la régénération des disques, mais aussi avec d’autres applications.
Donc, le premier serait le fait que les cellules prolifèrent et ensuite elles se différencient dans le type de cellule qui serait nécessaire pour produire le tissu. Dans ce cas, ce serait une cellule chondrogène ou de type cartilage vers laquelle vous voulez que les cellules souches évoluent, et ensuite, une fois que cela se produit, elles peuvent produire le tissu cartilagineux/discal. C’est un type de mécanisme similaire qui a été proposé pour la régénération osseuse également.
L’autre – qui a reçu plus d’attention récemment – est que les cellules créent un micro-environnement qui permet au corps de régénérer le tissu discal lui-même. Donc, ce que je veux dire par là, c’est que les cellules délivrées ne deviennent plus le cartilage ou la cellule productrice de disque. Au lieu de cela, elles restent des cellules souches. Ces cellules sécrètent alors des facteurs de croissance et des matrices, et les blocs de construction que le corps peut utiliser pour régénérer le tissu dans la zone.
Ce mécanisme semble être plus réalisable, en grande partie parce qu’il y a de nombreuses étapes qui sont nécessaires pour qu’une cellule souche devienne une cellule primaire dans un environnement étranger. En fournissant les blocs de construction nécessaires, ces cellules souches peuvent finalement conduire à la régénération des tissus.
Pensez-vous qu’il y a des preuves prometteuses dans la recherche pour soutenir ce deuxième mécanisme ?
WH : En ce moment, nous avons un certain nombre d’essais cliniques en cours aux États-Unis qui examinent les cellules souches pour régénérer les disques. Donc, si ces essais montrent la sécurité et l’efficacité et l’amélioration chez les patients souffrant de douleurs dorsales, alors oui – je pense que nous aurons ce traitement disponible pour les humains bientôt.
En ce qui concerne les preuves maintenant, il y a beaucoup de travaux fondamentaux et cliniques qui sont en cours pour délimiter les voies pertinentes. Nous espérons que les preuves futures nous aideront à le déterminer.
À quelle distance pensez-vous que nous sommes des applications cliniques des cellules souches pour la régénération ?
WH : Il y a un produit actuellement en phase 3 des essais cliniques à la Food and Drug Administration (FDA) américaine appelé Mesoblast.1 Si les résultats de cette étude sont favorables, alors nous pourrions avoir des cellules souches disponibles pour le traitement de la discopathie dégénérative très bientôt. À ma connaissance, de tous les produits à base de cellules, cet essai est le plus proche d’être achevé qui pourrait fournir à la communauté de la colonne vertébrale les preuves nécessaires.
Mais, si cet essai ne parvient pas à montrer une amélioration significative par rapport au placebo, alors il pourrait s’écouler cinq, dix ou quinze ans avant que nous voyions un autre produit voir le jour. Mais, je crois que nous sommes proches de voir des produits disponibles commercialement pour la régénération des disques, en raison des progrès des produits qui ont été étudiés dans les essais cliniques.
ME : Bien qu’un certain nombre d’essais cliniques sur l’homme soient actuellement en cours, la thérapie par cellules souches comme traitement du DDD humain doit être considérée comme expérimentale. Le sort des cellules souches mésenchymateuses transplantées (comme celles d’origine médullaire) après la transplantation est largement inconnu. Survivent-elles ? Si oui, pendant combien de temps ? Quel est leur phénotype de différenciation post-transplantation ? Il n’existe pas de consensus en ce qui concerne le nombre de cellules à transplanter.
Les mécanismes d’action restent controversés
Un essai Mesoblast2 a étudié l’efficacité de la transplantation de 6 ou 18×106 cellules/disque, et un autre essai européen a transplanté jusqu’à 23×106 cellules/disque. D’autres essais ont transplanté jusqu’à 30×106 cellules/disque. Les premiers résultats de Mesoblast suggèrent que la dose de 6×106 était préférable, mais il s’agit clairement d’ordres de grandeur supérieurs au nombre de cellules qui résident normalement dans un disque humain. Les niveaux normaux varient en fonction du degré de DDD, mais se chiffrent en centaines de milliers ; on est loin des 20×106 cellules !
En outre, le ou les mécanismes d’action restent controversés.
Les cellules s’intègrent-elles réellement dans le milieu NP du DIV ? Sécrètent-elles des molécules anti-dégénératives et agissent-elles sur les cellules viables restantes ? De tels mécanismes paracrines pourraient-ils avoir un effet dans le cas de cellules sénescentes ? Combien de temps les cellules transplantées survivent-elles (si c’est le cas) et est-il suffisant de transplanter des cellules seules ?
En outre, dans le disque dégénératif plus avancé, on considère que la dégénérescence/calcification des plaques terminales compromet la diffusion dans et hors du PN DIV. Dans cette situation, comment les cellules vont-elles survivre dans un environnement aussi hostile ? Et, quel patient est le candidat idéal pour une transplantation ?
Bien que de nombreuses questions restent à résoudre, la notion de thérapie de remplacement cellulaire présente un attrait considérable.
La lumière sur les cellules notocordes
Par Mark Erwin
Notre laboratoire étudie les cellules notocordes depuis plus de dix ans. Ces cellules remarquables sont les éléments constitutifs du disque intervertébral et on sait qu’elles persistent dans les disques des animaux qui résistent au développement du DDD, comme les porcs et les lapins non chondrodystrophiques. Ces cellules peuplent également richement le NP du DIV chez l’homme, mais sont perdues à la fin de l’enfance/au début de l’adolescence, leur perte étant associée de manière intéressante à l’apparition précoce du DDD.
Les processus régissant la survie des cellules notocordes sont actuellement inconnus – notamment pourquoi elles persistent dans les disques de certains animaux et pas d’autres (comme les humains). Il est intéressant de noter que des cellules affichant des marqueurs de souche sont présentes au sein du NP DIV humain mature (ainsi que dans d’autres espèces animales), même lorsque les grandes cellules notochordales physalifères sont absentes. Cela soulève la question suivante : les cellules notocordes meurent-elles simplement avec le temps ou se transdifférencient-elles en cellules de type chondrocyte avec la maturité ? Existe-t-il un lien encore inconnu entre les cellules notochordales et les cellules souches et si oui, quel est-il et quelle est sa signification ?
Notre équipe et d’autres ont étudié les effets des molécules sécrétées par les cellules notochordales et les effets de ces molécules sécrétées sur d’autres cellules NP. Nous avons récemment rapporté que le milieu conditionné des cellules notochordales (MNCC) supprime la mort des cellules NP chez l’homme,4 et avons validé que le MNCC canin injecté dans le disque dégénératif médiait la dégénérescence du disque et conférait un effet régénérateur.
En outre, nous avons récemment identifié les facteurs nécessaires et suffisants sécrétés par les cellules notocordes dérivées du NP de la DIV canine non chondrodystrophique et avons démontré qu’une injection unique de formes recombinantes de ces facteurs dans le disque dégénératif peut servir de médiateur à la DDD et conférer un effet régénérateur.5 Je ne pense pas que l’utilisation des cellules notocordes elles-mêmes soit une préoccupation pratique en ce qui concerne le traitement du DDD, cependant comprendre leur contribution à l’homéostasie du DIV et être capable de délivrer les facteurs importants qu’elles sécrètent pourrait bien conduire à une nouvelle thérapie moléculaire pour traiter le DDD.
Une prochaine étape importante serait d’examiner l’utilisation de versions recombinantes des molécules importantes sécrétées par les cellules notocordes dans un grand modèle animal approprié de DDD. Après la réussite d’un tel essai coûteux et complexe, vient le coûteux processus d’approbation réglementaire menant à un essai clinique sur l’homme. En fonction d’un certain nombre de facteurs, cela pourrait être en cours d’ici trois à cinq ans.
En plus de leur rôle biochimique/moléculaire, certains chercheurs émettent l’hypothèse que les cellules notochordales pourraient contribuer à la portance. À cette fin, nous avons déterminé que la NP IVD riche en cellules notochordes présente des propriétés biomécaniques et biochimiques supérieures par rapport aux IVD déficientes en cellules notochordes d’une manière qui présente des similitudes avec la condition humaine,6 cependant, il reste encore beaucoup à déterminer dans ce domaine. Ce qui est certain, c’est que Mère Nature continue de garder jalousement le(s) rôle(s) précis joué(s) par ces cellules fascinantes et leur rôle dans le développement, la maturation et l’entretien de la DIV.
Quelles autres applications pourraient exister pour les cellules souches dans la colonne vertébrale ?
ME : Il y a essentiellement deux domaines où les cellules souches ont été évaluées ; la pathologie de la moelle épinière et le DDD. L’utilisation des cellules souches pour traiter des troubles tels que la sclérose latérale amyotrophique (SLA/maladie des neurones moteurs) et les lésions de la moelle épinière suscite un intérêt considérable, avec quelques essais cliniques terminés ou en cours. Malheureusement, aucune percée significative n’a encore eu lieu, bien que certaines études de sécurité aient été achevées.
WH : Il y a au moins un essai en cours sur les lésions de la moelle épinière aux États-Unis avec l’utilisation de cellules souches embryonnaires. C’est beaucoup plus loin que les études sur la régénération des disques car nous devons établir la sécurité avant l’efficacité. Mais l’application de cellules souches dans une moelle épinière gravement blessée peut permettre de réduire les lésions secondaires et d’obtenir de meilleurs résultats moteurs après le traitement. Ces essais sont en phase 1, ce qui signifie que le traitement par cellules souches des lésions de la moelle épinière est encore loin.
De nombreuses questions sur l’avenir des cellules souches restent sans réponse
ME : Il y a 15 études sur la pathologie de la moelle épinière répertoriées sur www.clinicaltrials.gov avec seulement deux études terminées, quatre en cours de recrutement, quatre au statut inconnu, une suspendue, deux actives-non-recruteuses, une retirée et une terminée. Bien que certaines informations préliminaires aient été obtenues, il reste encore beaucoup à déterminer en ce qui concerne la meilleure méthode d’administration des cellules souches, la source des cellules souches, le nombre de cellules à administrer et le patient optimal pour recevoir cette thérapie. Ces considérations sont communes à toutes les applications potentielles des cellules souches liées à la colonne vertébrale.
Les questions « éléphantesques », pour ainsi dire, nécessitent une compréhension raisonnable de ce que font réellement les cellules transplantées, de ce qu’elles deviennent, si et comment elles s’intègrent dans la matrice extracellulaire du site de transplantation, et combien de temps elles survivent une fois transplantées. Beaucoup de ces questions restent sans réponse.
WH : Un domaine prometteur pour la thérapie par cellules souches serait la formation osseuse, ou la fusion vertébrale. Il existe des produits commerciaux sur le marché qui sont basés sur les cellules et qui sont utilisés à cette fin.
Les cellules ont effectivement un potentiel de formation osseuse, et nous avons plus d’études dans ce domaine pour la chirurgie de la colonne vertébrale que pour la régénération des disques, puisque nous avons déjà des produits sur le marché.
Quels sont les obstacles à la recherche sur les cellules souches dans la colonne vertébrale ?
ME : La notion d’utilisation des cellules souches pour traiter les maladies de la colonne vertébrale n’est pas nouvelle, cependant le domaine n’a pas fait de progrès significatifs en grande partie en raison de la complexité du remplacement cellulaire en général et, spécifiquement, des défis à relever pour traiter les pathologies de la colonne vertébrale.
WH : La population de patients qui souffre de dégénérescence discale peut être un obstacle à la recherche. Beaucoup de patients peuvent avoir des douleurs lombaires pour des raisons autres que leurs disques dégénérés.
Si vous n’avez pas la bonne sélection de patients dans ces essais cliniques, cela peut confondre les données. Si vous acceptez quelqu’un dans un essai qui a une douleur lombaire qui ne vient pas vraiment de sa discopathie dégénérative, mais qui vient, par exemple, des tissus mous environnants, alors régénérer le disque n’aidera pas nécessairement cette personne. Parce qu’il n’y a pas de test de diagnostic unique qui puisse localiser définitivement le générateur de douleur, la sélection des patients est un obstacle important pour qu’un essai clinique puisse prouver sa supériorité.
En outre, le fait que ces cellules souches aiment devenir de nombreux types de cellules différentes – pas seulement des cellules productrices de cartilage, mais aussi des cellules productrices d’os et des cellules productrices de muscles – c’est pourquoi on les appelle des cellules mésenchymateuses. Essayer de bloquer la réponse de l’organisme, ou la propension de cette cellule à développer une voie alternative, est peut-être plus lourd et plus difficile que de conduire une cellule sur la voie appropriée. Je dirais donc que, mécaniquement, c’est probablement le deuxième plus grand obstacle.
Quand pensez-vous que nous pourrions commencer à voir des traitements validés à base de cellules souches utilisés dans la pratique clinique ?
ME : En ce qui concerne l’utilisation des cellules souches dans la pratique clinique, le mot important est « validation ». Nous sommes très loin d’une thérapie à base de cellules souches validée pour le traitement du DDD, pour les raisons évoquées précédemment. Cela vaut pour la plupart des thérapies potentielles à base de cellules souches de la colonne vertébrale et, bien que l’on ait beaucoup appris, il reste encore beaucoup à comprendre avant de pouvoir envisager une quelconque validation. La thérapie par cellules souches doit, à ce stade, rester expérimentale.
Les obstacles aux transplantations de cellules souches, au-delà des obstacles scientifiques qui subsistent, doivent certainement inclure des préoccupations réglementaires, car il est probable que les cellules souches nécessiteraient une sorte de « manipulation » – qui pourrait inclure la simple augmentation du nombre de cellules. Les risques de néoplasie et d’autres effets indésirables doivent être étudiés en profondeur, ainsi que la sécurité de chaque méthode putative de transplantation.
De plus, ces études sont énormément coûteuses créant un obstacle financier qui – en plus des défis réglementaires – augmente la barre d’entrée dans cette arène passionnante, mais difficile.
Que pensez-vous que l’avenir réserve aux cellules souches dans la chirurgie de la colonne vertébrale ? Les utiliserons-nous couramment au cours de la prochaine décennie ?
WH : Je l’espère certainement. Ce n’est pas comme si nous venions de commencer à étudier les cellules souches. Nous avons étudié cette arène pour la chirurgie de la colonne vertébrale de manière très intensive au cours des 15-20 dernières années, et il n’y a encore que des applications limitées à ce stade. J’ai bon espoir qu’avec plus de recherche, nous serons en mesure de mieux nous concentrer sur un processus pathologique dans la livraison de cellules souches au bon patient.
Je ne pense certainement pas que les cellules souches sont la panacée – qu’elles pourraient simplement être appliquées immédiatement, quelle que soit la condition. Je ne prévois pas que cela se produise. Mais, je vois une application ciblée des cellules souches qui bénéficiera grandement aux patients à l’avenir. Il nous faudra juste un peu de temps pour y arriver car c’est un processus tellement complexe.
« Je n’ai pas échoué, j’ai juste trouvé 10 000 façons qui ne fonctionneront pas »
ME : Il y a un intérêt considérable et un besoin clinique pour le remplacement cellulaire afin de traiter les maladies de la colonne vertébrale telles que les lésions de la moelle épinière, le DDD, la SLA et autres. Cependant, la ruée vers l’utilisation clinique doit être tempérée par une compréhension et un raisonnement scientifiques solides. Par conséquent, il est vital d’évaluer soigneusement les nouvelles interventions thérapeutiques potentielles.
L’émergence du tourisme des cellules souches et le manque de réglementation dans ces domaines ont vu l’augmentation d’événements indésirables très graves, y compris la néoplasie dans le cas des thérapies par cellules souches pour les lésions de la moelle épinière. L’histoire regorge d’exemples de résultats défavorables en médecine qui sont la conséquence d’une précipitation à mettre en œuvre de nouveaux traitements. À cet effet, la célèbre citation de Thomas Edison reste pertinente aujourd’hui ; « Je n’ai pas échoué, j’ai juste trouvé 10 000 façons qui ne fonctionneront pas ».
Wellington Hsu est chirurgien orthopédique à l’université Northwestern de Chicago, aux États-Unis. Mark Erwin est chercheur à l’université de Toronto, Toronto, Canada
1. https://clinicaltrials.gov (N° d’identification : NCT02412735)
2. https://clinicaltrials.gov (N° d’identification : NCT01290367)
3. Berkowitz, et al. New England Journal of Medicine 2016 ; 375:196-198
4. Mehrkens, et al. The Spine Journal 2017 ; 17(4) : 579-588
5. Matta, et al. Scientific Reports 2017 ; 7 : 45623 (doi : 10.1038/srep45623)
6. Erwin, et al. Arthritis Research & Therapy 2015 ; 17:240
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