Recherche fondamentale en système cardiovasculaire

Dr Nathalie Rosenblatt Lausanne

Le facteur de croissance 2 des fibroblastes contrôle la différenciation de cellules précurseurs cardiaques locales en cardiomyocytes fonctionnels

Résumé
On suppose que les affections cardiovasculaires, et en particulier l’insuffisance cardiaque, pourraient devenir le problème de santé le plus important dans les pays développés. Bien que des progrès considérables aient été réalisés dans le traitement de ce type de patients, la transplantation cardiaque reste la dernière mesure thérapeutique en cas d’insuffisance cardiaque. Mais en raison du manque d’organes utilisables, il faut envisager des approches de remplacement. Dans ce contexte, suite à une lésion cardiaque, la régénération thérapeutique du muscle cardiaque par transplantation de cellules souches représente une approche prometteuse dans le traitement des cardiopathies.
Les cellules souches sont caractérisées par leur potentiel de prolifération, ainsi que par leur capacité à générer un ou plusieurs types de cellules en phase de différenciation terminale. Indépendamment de leur origine, on distingue deux types de cellules souches. Les cellules souches embryonnaires (ES), qui proviennent de la masse cellulaire interne d’embryons au stade de blastocytes, et les cellules souches adultes, présentes dans les organes adultes arrivés à maturité. On a supposé que les cellules souches adultes se limitaient à des organes ou à des tissus (c.-à-d. que, selon leur environnement, elles pouvaient donner naissance à des lignées cellulaires différenciées limitées à un domaine). Il apparaît désormais que certaines cellules souches adultes ayant été éloignées de leur environnement habituel, pouvaient se différencier en cellules provenant des trois principales couches de cellules germinales (ectoderme, mésoderme et endoderme).
L’existence de cellules précurseurs cardiaques (CPS) locales a longtemps été controversée. En fait, on a traditionnellement considéré les myocytes cardiaques comme des cellules différenciées en phase terminale, s’adaptant à des stress de plus en plus importants et compensant exclusivement la perte cellulaire par une hypertrophie. Mais au cours des dernières années, des indices convaincants ont montré que le potentiel de régénération du cœur était plus important qu’on ne le croyait jusqu’à présent. On a de plus constaté que dans certaines conditions, la différenciation de cardiomyocytes était possible dans le cœur de rongeurs et d’humains adultes. Mais il n’a jusqu’à présent pas été possible de déterminer clairement l’origine (exogène (de l’extérieur; de muscles ou de moelle osseuse) ou endogène (du cœur) des cellules souches différenciées.
Les résultats que nous avons obtenus au cours des trois dernières années indiquent qu’il existe des cellules souches multipotentes dans les cœurs néonatals de souris. Nous avons en particulier constaté que 1) la fraction non myocytaire de cœurs néonatals de souris contenait certaines cellules capables de se différencier en divers types de cellules, y compris en cardiomyocytes; 2) ces cellules précurseurs cardiaques exprimaient une protéine spéciale appelée antigène 1 de cellule souche ou Sca-1, qui est également exprimée à la surface cellulaire de cellules souches hématopoïétiques; 3) le facteur de croissance 2 des fibroblastes (FGF-2) était nécessaire à la différenciation de cellules précurseurs cardiaque en cardiomyocytes; 4) certaines des cellules cardiaques non myocytaires se nichaient (« homing ») dans le cœur et se différenciaient in vivo en cardiomyocytes.

Les cellules précurseurs cardiaques sont multipotentes
Les cellules non myocytaires (NMC) sont isolées à partir d’une fraction de cœurs néonatals de souris. Cette population de cellules ne contient ni cellules endothéliales ni cellules hématopoïétiques et pas de cardiomyocytes arrivés à maturité. En revanche, certaines cellules appartenant à la population NMC expriment les antigènes de cellules souches Sca-1 et c-kit, islet1, les facteurs de transcription Snail et Slug, ainsi que la E-, N- et Ve-cadhérine. Lors de la culture dans un milieu approprié, 5% des NMC se différencient en cellules se contractant spontanément, qui expriment des protéines cardiospécifiques comme Nkx2.5, GATA-4, MLC-2v, la troponine I ou l’a-actinine. De plus, les NMC contiennent également des cellules capables de se différencier en adipocytes, en ostéoblastes ou en muscles squelettiques. Ces résultats indiquent que dans la fraction NMC de cœurs néonatals de souris, il existe certaines cellules multipotentes.

Les cellules Sca-1+ se différencient en cardiomyocytes
Après isolation, les cellules Sca-1+ représentent 10% du nombre total de NMC et 30% après prolifération. Ceci indique que les cellules Sca-1+ prolifèrent fortement ou que l’expression de Sca-1 est induite à la surface cellulaire de certains NMC pendant l’expansion. Lors de la différenciation des cellules précurseurs cardiaques en cardiomyocytes, on peut distinguer trois différentes populations cellulaires relatives à l’expression de Sca-1: la première n’exprime que Sca-1, la deuxième co-exprime Sca-1 et des marqueurs cardiospécifiques comme la troponine I, et la troisième n’exprime que des marqueurs cardiaques sans co-expression de Sca-1. Ces résultats indiquent que certaines cellules Sca-1+ se différencient en cardiomyocytes. In vivo, on retrouve des cellules Sca-1+ dans les cœurs néonatals et adultes de souris. Il est intéressant de noter que le nombre de cellules Sca-1+ augmente lorsque le cœur adulte est soumis à un effort, ce qui indique que les cellules Sca-1+ sont nécessaires ou que l’expression de Sca-1 sur les cellules est renforcée dans le cœur endommagé hypertrophique.

La différenciation en cardiomyocytes nécessite la libération du facteur de croissance 2 des fibroblastes (FGF-2)
L’expression du FGF-2 subit une forte régulation positive pendant la différenciation de CPC en cardiomyocytes à maturité, ce qui indique que le FGF-2 participe au processus de différenciation cardiogène. Afin de déterminer le rôle du FGF-2 dans la différenciation en cardiomyocytes, on a cultivé des NMC dans un milieu de culture approprié après retrait du FGF-2, mais on n’a pas pu détecter de cardiomyocytes à maturité dans les cultures de cellules déficientes en FGF-2. L’ajout de FGF-2 exogène à des cultures déficientes en FGF-2 a rétabli la différenciation.

Nichage et différenciation de NMC in vivo
Afin de vérifier in vivo la capacité de cellules précurseurs cardiaques à se nicher et à se différencier en cardiomyocytes, nous avons réalisé des expériences de transfert cellulaire sur des modèles néonataux et/ou adultes de souris mimant le remodelage physiologique et pathologique du cœur. Afin d’observer les cellules in vivo, les NMC injectées sont soit colorées au fluorochrome soit isolées à partir de cœur exprimant le gène GFP ou le gène lacZ. Dans les deux modèles, certaines NMC migrent vers le cœur et se différencient en cardiomyocytes sans fusion avec les cellules hôtes. Mais la différenciation en cardiomyocytes dans le cœur néonatal nécessite la présence de FGF-2 soit dans l’hôte soit dans les cellules injectées. En fait, des cellules déficientes en FGF-2 peuvent se nicher dans des cœurs déficients en FGF-2, mais ne peuvent pas se différencier en cardiomyocytes.

Importance de l’ouvrage
Dans le cadre de notre , nous avons pu montrer que la population cellulaire cardiaque non myocytaire, isolée à partir du cœur néonatal de souris, contenait un sous-groupe de cellules exprimant l’antigène Sca-1 et possédait la capacité de se différencier in vitro en cardiomyocytes fonctionnels. Ces cellules précurseurs peuvent se nicher dans le cœur et également se différencier en cardiomyocytes lors d’injection in vivo. Il est intéressant de noter que le processus de différenciation dépend du facteur de croissance 2 des fibroblastes (FGF-2), car des cellules sans FGF-2 ne peuvent pas former de cardiomyocytes à maturité et que leur différenciation s’arrête déjà au stade précurseur.
Ces nouveaux résultats ouvrent la voie à de nouvelles stratégies cellulaires. Initialement, le traitement cellulaire de cœurs endommagés consistait à injecter des cellules souches exogènes. Il reste toutefois à déterminer la source de cellules idéale pour le traitement cellulaire. On peut entre-temps développer des traitements cellulaires reposant sur la mobilisation et la différenciation de cellules souches cardiaques locales.
Afin d’atteindre cet objectif, les cellules précurseurs cardiaques doivent être mieux identifiées et les facteurs participant à la prolifération et à la différenciation de ces précurseurs doivent être caractérisés. Nous avons montré que l’antigène 1 de cellule souche (Sca-1) – une protéine exprimée à la surface cellulaire de 10% des cellules cardiaques non myocytaires – pourrait être utilisé comme marqueur pour des cellules précurseurs cardiaques. Ce qui est encore plus important, c’est que le processus de différenciation de ces cellules précurseurs cardiaques nécessite la présence du facteur de croissance 2 des fibroblastes (FGF-2). Plusieurs études cliniques ont été lancées afin d’examiner le potentiel thérapeutique du FGF-2 lors de cardiopathies. Actuellement, on étudie en particulier le FGF-2 comme médicament pour la stimulation de la revascularisation dans le traitement d’états pathologiques ischémiques chroniques. Nos résultats indiquent que les effets avantageux du FGF-2 pourraient aller au-delà des effets angiogènes. En fait, le FGF-2 pourrait contribuer à l’auto-régénération du cœur pour la réparation cardiaque par accélération de la mobilisation et de la différenciation des cellules souches locales.

Rosenblatt-Velin N, Lepore MG, Cartoni C, Beermann F, Pedrazzini T. FGF-2 controls the differentiation of resident cardiac precursors into functional cardiomyocytes. J Clin Invest, 2005; 115 (7) :1724-1733.
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Résumé du travail primé
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