Cardiac Stem Cells in Myocardial Regeneration Studies

Les cellules souches cardiaques dans les études sur la régénération du myocarde

La capacité limitée de régénération des cœurs de mammifères adultes après un infarctus du myocarde motive une recherche intensive sur la biologie des cellules souches cardiaques et les thérapies régénératives. Alors que le débat se poursuit sur l'existence et le potentiel régénérateur des cellules souches cardiaques endogènes, diverses populations cellulaires ont été étudiées pour leur capacité à réparer le myocarde endommagé. Comprendre la biologie des cellules progénitrices cardiaques et développer des thérapies cellulaires efficaces reste un objectif majeur pour faire face au fardeau mondial de l'insuffisance cardiaque résultant d'une cardiopathie ischémique.

Principaux enseignements

• De multiples populations de progéniteurs cardiaques ont été identifiées sur la base de marqueurs de surface et de propriétés fonctionnelles
• les cellules progénitrices cardiaques c-Kit+ ont suscité un enthousiasme initial, mais leur différenciation cardiomyocytaire est limitée in vivo
• Les cellules dérivées de la cardiosphère démontrent des avantages paracrines dans les essais cliniques malgré une prise de greffe limitée
• Les cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites offrent des sources cellulaires évolutives avec une différenciation définie
• Les mécanismes paracrines peuvent être à l'origine d'avantages en matière de réparation cardiaque, indépendamment du remplacement des cellules

Cellules progénitrices cardiaques endogènes

L'identification de cellules progénitrices cardiaques (CPC) c-Kit⁺ dans les cœurs adultes a suscité un grand intérêt pour la régénération cardiaque. Ces cellules, identifiées par l'expression du récepteur du facteur de cellules souches c-Kit (CD117), se différencieraient en cardiomyocytes et régénéreraient le myocarde infarci. Cependant, des études ultérieures de traçage de lignage ont révélé que les CPC c-Kit⁺ contribuent peu à la formation de nouveaux cardiomyocytes, générant plutôt des cellules endothéliales et des fibroblastes.

Les progéniteurs cardiaques Sca-1⁺ représentent une autre population identifiée dans les cœurs de rongeurs. Ces cellules présentent un potentiel cardiomyogénique in vitro mais, comme les cellules c-Kit⁺, leur différenciation en cardiomyocytes fonctionnels est limitée in vivo. L'absence d'orthologue de Sca-1 chez l'homme complique la transposition des résultats des CPC Sca-1⁺ en applications cliniques.

Les cellules de la population latérale identifiées par l'efflux de colorant Hoechst représentent une troisième population de progéniteurs cardiaques. Ces cellules qui expriment le transporteur de cassettes de liaison à l'ATP ABCG2 démontrent un potentiel multi-ligneux mais n'ont pas atteint le stade du développement clinique. La controverse concernant la véritable capacité de régénération des CPC endogènes s'est déplacée vers les sources de cellules exogènes et les mécanismes paracrines.

Thérapie cellulaire dérivée de la cardiosphère

Les cardiosphères représentent des amas de cellules auto-assemblées dérivées d'explants de tissus cardiaques. Lorsqu'elles sont cultivées sous forme de sphéroïdes, ces cellules expriment des marqueurs de progéniteurs et démontrent un potentiel de différenciation multi-ligneux. Les cellules dérivées de la cardiosphère (CDC) expansées à partir de cardiosphères primaires ont fait l'objet d'essais cliniques pour l'infarctus du myocarde et l'insuffisance cardiaque.

L'essai CADUCEUS a démontré que la perfusion de CDC réduisait la taille de la cicatrice et augmentait le myocarde viable chez les patients ayant subi un infarctus. Cependant, l'amélioration fonctionnelle mesurée par la fraction d'éjection était modeste. Le mécanisme de bénéfice semble principalement paracrine, les facteurs sécrétés par les CDC favorisant l'angiogenèse, réduisant l'inflammation et stimulant potentiellement la réparation endogène plutôt que le remplacement direct des cellules.

La fabrication des CDC implique une biopsie endomyocardique, la culture d'explants tissulaires et la formation de cardiosphères en suspension suivie d'une expansion sous forme de CDC adhérentes. Ce processus permet la préparation de cellules autologues à partir de biopsies de patients, bien que les délais de fabrication et la variabilité posent des problèmes pour les applications aiguës.

Cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites

Les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) différenciées en cardiomyocytes (iPSC-CM) constituent une source cellulaire évolutive et définie pour la régénération cardiaque. Les protocoles de différenciation dirigée utilisant la modulation de la voie Wnt génèrent efficacement des cardiomyocytes battants à partir des iPSC. Ces cellules expriment des marqueurs cardiaques et présentent des propriétés fonctionnelles, notamment la manipulation du calcium et la contractilité.

la transplantation d'iPSC-CM dans des modèles animaux démontre une greffe et une intégration électrique partielle avec le myocarde de l'hôte. Cependant, la maturation incomplète des iPSC-CM par rapport aux cardiomyocytes adultes crée un risque d'arythmie en raison de l'hétérogénéité de l'automaticité et de la conduction. Les stratégies visant à améliorer la maturation et l'intégration électrique des cellules souches cardiaques iPSC restent des domaines de recherche actifs.

Les produits iPSC-CM allogéniques provenant de donneurs homozygotes HLA pourraient fournir des thérapies cellulaires prêtes à l'emploi évitant la fabrication spécifique au patient. Des essais cliniques évaluant la sécurité et l'efficacité de l'iPSC-CM dans l'insuffisance cardiaque sont en cours au Japon et dans d'autres pays, ce qui représente la frontière de la thérapie cardiaque à base de cellules souches pluripotentes.

Applications cardiaques des cellules souches mésenchymateuses

Les cellules souches mésenchymateuses exercent des effets cardioprotecteurs principalement par le biais de mécanismes paracrines plutôt que par la différenciation des cardiomyocytes. Les facteurs sécrétés par les CSM, notamment le VEGF, l'IGF-1 et le HGF, favorisent l'angiogenèse et la survie cellulaire dans le myocarde ischémique. Les cytokines anti-inflammatoires réduisent l'inflammation dommageable après un infarctus.

Les cellules souches mésenchymateuses humaines - moelle osseuse (HMSC-BM ) constituent une source standard de CSM pour les applications de recherche cardiaque. Les essais cliniques utilisant les CSM de la moelle osseuse pour l'infarctus du myocarde montrent des bénéfices modestes avec d'excellents profils de sécurité. Les cellules souches mésenchymateuses humaines - tissu adipeux offrent une source alternative avec des propriétés paracrines potentiellement supérieures pour les applications cardiaques.

La différenciation cardiaque des CSM reste limitée malgré des rapports in vitro faisant état d'un potentiel cardiomyogénique. Le bénéfice thérapeutique des CSM dans les applications cardiaques découle principalement des effets paracrines plutôt que du remplacement des cellules. Cette compréhension du mécanisme a permis d'optimiser l'administration du sécrétome des CSM plutôt que d'améliorer la différenciation.

Mécanismes paracrines de réparation cardiaque

Les exosomes et les microvésicules sécrétés par les cellules progénitrices cardiaques et les CSM médient les effets paracrines. Ces vésicules extracellulaires contiennent des protéines, des ARNm et des microARN qui modulent la fonction des cellules réceptrices. Les exosomes dérivés du CDC reproduisent les avantages de la réparation cardiaque observés avec la transplantation de cellules entières, ce qui suggère des thérapies acellulaires à base d'exosomes.

La promotion de l'angiogenèse améliore la perfusion du myocarde ischémique. Le VEGF, le bFGF et les angiopoïétines sécrétés par les cellules transplantées ou délivrés par les exosomes stimulent la formation de nouveaux vaisseaux sanguins. Une vascularisation améliorée favorise la survie des cardiomyocytes et potentiellement la régénération endogène.

Les effets antifibrotiques réduisent la formation de cicatrices et préservent la fonction cardiaque. Les facteurs sécrétés inhibent l'activation des fibroblastes et le dépôt de collagène. Ce mécanisme pourrait expliquer les améliorations observées dans la structure et la fonction cardiaques sans greffe cellulaire significative.

Protocoles de culture et d'expansion

L'isolement des cellules progénitrices cardiaques repose généralement sur la dissociation enzymatique du tissu cardiaque, suivie d'une sélection basée sur des marqueurs ou d'une culture par adhésion différentielle. L'isolement des cellules c-Kit⁺ utilise la sélection par billes magnétiques, tandis que la formation de cardiosphères se produit spontanément dans des conditions de culture en suspension appropriées.

Le milieu DMEM/Ham's F12 supplémenté en facteurs de croissance fournit des conditions de culture standard pour l'expansion des progéniteurs cardiaques. Des milieux spécialisés pour cellules souches cardiaques contenant des facteurs définis optimisent l'expansion tout en conservant les propriétés des progéniteurs. Le milieu de congélation CM-1 permet la cryoconservation des progéniteurs cardiaques expansés.

Le contrôle qualité des produits cellulaires cardiaques nécessite une évaluation fonctionnelle allant au-delà de la caractérisation des marqueurs de surface. Les mesures transitoires du calcium, les enregistrements électrophysiologiques et les tests de contractilité confirment la fonction des cardiomyocytes. L'authentification des lignées cellulaires et les tests de dépistage des mycoplasmes garantissent l'intégrité des produits pour la recherche et les applications cliniques.

Méthodes et calendrier d'administration

L'injection intramyocardique permet une administration directe au tissu cible, mais nécessite des approches chirurgicales invasives ou par cathéter. La rétention cellulaire au niveau des sites d'injection est limitée, la plupart des cellules étant perdues en quelques heures ou quelques jours en raison du lavage mécanique et de la mort cellulaire dans l'environnement hostile de l'infarctus.

La perfusion intracoronaire offre une administration moins invasive, mais repose sur la migration transendothéliale pour l'homing myocardique. Cette voie permet une distribution plus large, mais une rétention encore plus faible que l'injection directe. Des perfusions répétées peuvent compenser la faible rétention initiale.

Le moment choisi pour l'administration des cellules influence les résultats. Une administration aiguë immédiatement après l'infarctus est confrontée à un environnement inflammatoire hostile, mais peut offrir une opportunité maximale d'intervention. Une administration retardée après la disparition de l'inflammation aiguë peut améliorer la survie des cellules, mais faire passer à côté de la fenêtre thérapeutique permettant d'obtenir un bénéfice maximal.

Orientations futures

La reprogrammation cardiaque directe convertit les fibroblastes en cellules de type cardiomyocytes in situ sans transplantation cellulaire. Des combinaisons de facteurs de transcription (Gata4, Mef2c, Tbx5) ou de petites molécules induisent le destin cardiomyocytaire dans les fibroblastes cardiaques. Cette approche évite les difficultés liées à la transplantation cellulaire, mais se heurte à des obstacles en termes d'efficacité et de sécurité.

Les approches combinées intégrant la thérapie cellulaire à des échafaudages biomédicaux, des facteurs de croissance et une stimulation électrique peuvent améliorer les résultats de la réparation cardiaque. Les approches d'ingénierie créant des patchs cardiaques avec une architecture cellulaire et une vascularisation organisées remédient aux limites des approches par injection cellulaire.

Conclusion

La recherche sur les cellules souches cardiaques a évolué, passant de l'enthousiasme initial concernant la régénération médiée par les cellules progénitrices endogènes à une compréhension plus nuancée des mécanismes paracrines et des défis de la véritable régénération cardiaque. Si le remplacement des cardiomyocytes reste un objectif ambitieux, les données actuelles confirment les avantages médiés par les mécanismes paracrines provenant de diverses sources cellulaires. Les cardiomyocytes dérivés d'iPSC offrent la voie la plus prometteuse vers le remplacement cellulaire fonctionnel, en attendant que des solutions soient trouvées aux défis de la maturation et de l'intégration. La poursuite des recherches visant à faire progresser à la fois les approches de remplacement cellulaire et paracrines permettra à terme de mettre au point des thérapies régénératives efficaces pour les patients atteints d'insuffisance cardiaque.