Cancer Stem Cell Markers: Identification and Functional Validation

Marqueurs des cellules souches cancéreuses : identification et validation fonctionnelle

L’hypothèse des cellules souches cancéreuses (CSC) postule que les tumeurs contiennent des populations cellulaires organisées de manière hiérarchique, dont un petit sous-ensemble de cellules possède des propriétés de type souche, notamment l’auto-renouvellement, la capacité de différenciation et la capacité d’initier une tumeur. L’identification de marqueurs permettant de distinguer de manière fiable les CSC des cellules tumorales ordinaires a des implications profondes pour la compréhension de la biologie tumorale, la prédiction de la résistance aux traitements et le développement de thérapies ciblant la source même de la croissance et de la récidive tumorales. L’identification et la validation fonctionnelle rigoureuse des marqueurs des CSC demeurent essentielles pour faire progresser ce domaine vers une application clinique.

Identification des CSC à partir des marqueurs de surface

Le CD44 est l’un des marqueurs des CSC les plus largement utilisés pour divers types de tumeurs. Cette glycoprotéine de surface cellulaire agit comme récepteur de l’acide hyaluronique et participe à l’adhésion, à la migration et à la signalisation cellulaires. Les cellules CD44⁺ présentent une capacité tumorigène accrue dans les cancers du sein, de la tête et du cou, du pancréas et d’autres types de cancers. Des isoformes variantes (CD44v), générées par un épissage alternatif, permettent de distinguer davantage les populations de CSC dans certains contextes.

Le CD133 (Prominin-1) a d’abord été identifié comme un marqueur des cellules souches hématopoïétiques, puis reconnu comme un marqueur des CSC dans les tumeurs cérébrales, le cancer colorectal et d’autres tumeurs malignes. Les cellules CD133⁺ issues du glioblastome présentent une capacité accrue d’auto-renouvellement, de formation de neurosphères et d’initiation tumorale. Cependant, l’expression de CD133 peut varier en fonction des conditions de culture et ne permet pas nécessairement de distinguer les CSC de manière universelle dans tous les types de tumeurs.

Le phénotype CD44⁺/CD24ˡᵒʷ⁻ permet d’identifier les cellules souches du cancer du sein présentant une formation accrue de mammosphères et une capacité d’initiation de tumeurs dans des xénogreffes. Cette combinaison de marqueurs permet de distinguer les CSC plus efficacement que l’un ou l’autre marqueur pris isolément, ce qui illustre l’intérêt des stratégies combinatoires de marqueurs. Toutefois, les phénotypes des CSC peuvent varier d’un sous-type de cancer du sein à l’autre, ce qui nécessite une validation des marqueurs spécifique à chaque sous-type.

Approches basées sur les marqueurs fonctionnels

L’activité de l’ALDH (aldéhyde déshydrogénase), mesurée par le test ALDEFLUOR, constitue un marqueur fonctionnel des CSC indépendant du phénotype de surface. Les cellules ^{à forte expression} d’ALDH (ALDH^high) présentent une capacité accrue d’initiation tumorale, d’auto-renouvellement et de résistance au traitement dans plusieurs types de cancer, notamment les tumeurs du sein, du poumon et les hémopathies malignes. L’ALDH se combine à des marqueurs de surface pour un meilleur enrichissement des CSC.

Les cellules de la population latérale (SP), identifiées par l’efflux du colorant Hoechst 33342, constituent un autre marqueur fonctionnel des CSC. Ces cellules expriment des transporteurs de type « ATP-binding cassette » qui assurent l’efflux du colorant se liant à l’ADN, créant ainsi une population « latérale » distincte sur les graphiques de cytométrie en flux. Les cellules SP présentent une capacité accrue d’initiation tumorale et une résistance aux traitements, l’activité d’efflux des médicaments pouvant contribuer à la résistance à la chimiothérapie.

La capacité de formation de sphères dans des conditions non adhérentes et sans sérum constitue un test de substitution pour l’auto-renouvellement. Les cultures de sphères tumorales permettent d’enrichir les cellules exprimant des marqueurs de CSC et présentant une tumorigénicité accrue. Les passages en série de sphères permettent de sélectionner davantage les CSC auto-renouvelables et fournissent une évaluation quantitative de la fréquence des cellules souches grâce à une analyse par dilution limitante.

Marqueurs des CSC spécifiques à la tumeur

Les cellules souches tumorales cérébrales sont identifiées par l’expression de CD133, de la nestine et de Sox2, ce qui reflète les propriétés des cellules souches neurales. Le CD15 (SSEA-1) marque un sous-ensemble de cellules souches du glioblastome, tandis que le CD49f identifie des cellules de type souche dans les gliomes agressifs. Le chevauchement entre les marqueurs des cellules souches neurales et ceux des CSC des tumeurs cérébrales reflète la cellule d’origine potentielle de ces tumeurs malignes.

Les cellules souches cancéreuses du cancer colorectal expriment des combinaisons de CD133, de CD44 et d’EpCAM. Le gène Lgr5, une cible de la voie Wnt marquant les cellules souches intestinales, permet d’identifier les CSC du cancer colorectal dotées d’une capacité accrue à initier une tumeur. L’identification des CSC Lgr5⁺ suggère que les CSC colorectales pourraient provenir de cellules souches intestinales normales ayant acquis des mutations oncogéniques.

Les cellules souches leucémiques (CSL) de la leucémie myéloïde aiguë (LMA) se trouvent au sein de la population CD34⁺CD38⁻, qui ressemble aux cellules souches hématopoïétiques normales. Les cellules HL-60 constituent des modèles de leucémie promyélocytaire aiguë, tandis que les cellules K562 représentent la leucémie myéloïde chronique avec une hiérarchie régie par le gène BCR-ABL. Les cellules Jurkat permettent d’étudier les CSC de la leucémie lymphoblastique aiguë à cellules T.

Validation fonctionnelle par xénotransplantation

La norme de référence pour la validation des CSC est l’initiation tumorale chez des souris immunodéficientes. Les essais de transplantation par dilution limitante quantifient la fréquence des cellules initiatrices de tumeurs au sein de populations définies par des marqueurs. Les fractions enrichies en CSC initient des tumeurs à des nombres cellulaires inférieurs à ceux des cellules tumorales en vrac, démontrant ainsi une capacité accrue d’initiation tumorale. Cette différence de fréquence constitue une preuve fonctionnelle de l’enrichissement en CSC par les marqueurs candidats.

La transplantation en série fournit la preuve de la capacité d’auto-renouvellement. Les tumeurs initiées à partir de populations de CSC sont triées à nouveau et transplantées une nouvelle fois afin de démontrer que les CSC se régénèrent et reconstituent l’hétérogénéité tumorale. L’initiation tumorale soutenue au fil de multiples générations de greffes confirme l’auto-renouvellement à long terme, ce qui permet de distinguer les véritables CSC des progéniteurs à amplification transitoire.

La capacité de différenciation est évaluée en démontrant que les tumeurs initiées par des CSC contiennent des cellules dépourvues de marqueurs de CSC. La reconstitution de l’hétérogénéité phénotypique à partir de populations de CSC purifiées confirme la capacité de différenciation. Le traçage de la lignée à l’aide de systèmes de marquage génétique fournit des preuves complémentaires de la différenciation des CSC dans les tumeurs établies.

Publié : 2023 | Dernière révision : mai 2026

Technologies de l’analyse unicellulaire et hétérogénéité des CSC

Le séquençage de l’ARN unicellulaire révèle une hétérogénéité transcriptomique au sein des populations de CSC que l’analyse globale ne permet pas de mettre en évidence. L’analyse computationnelle des trajectoires permet d’identifier les voies de différenciation et les états intermédiaires entre les CSC et leur descendance différenciée. Ces analyses révèlent que les états des CSC s’inscrivent dans un continuum plutôt que de correspondre à des phénotypes discrets et stables.

La plasticité entre les états de CSC et de non-CSC remet en question les définitions statiques des CSC fondées sur des marqueurs. Les non-CSC peuvent se transformer en CSC dans des conditions appropriées, notamment en présence de signaux microenvironnementaux et de stress thérapeutique. Cette plasticité implique que l’éradication complète de la tumeur pourrait nécessiter de s’attaquer à la fois aux CSC existantes et aux sources potentielles de régénération des CSC.

La transcriptomique spatiale permet de localiser les CSC au sein de l’architecture tumorale, révélant ainsi une distribution des CSC dépendante de la niche. Les niches périvasculaires, les régions hypoxiques et les interfaces tumeur-stroma abritent des populations de CSC influencées par des facteurs microenvironnementaux locaux. La compréhension des contributions des niches au maintien des CSC permet d’élaborer des stratégies visant à perturber le soutien apporté aux CSC.

Marqueurs des CSC et résistance thérapeutique

Les populations de CSC présentent une résistance accrue à la chimiothérapie et à la radiothérapie conventionnelles par le biais de multiples mécanismes, notamment l’efflux de médicaments, une réparation accrue de l’ADN, la quiescence et la signalisation anti-apoptotique. Les populations présentant un taux élevé de marqueurs de CSC survivent à la thérapie cytotoxique et peuvent potentiellement entraîner la récidive de la tumeur. Cette résistance au traitement apporte une validation fonctionnelle supplémentaire de l’identité des CSC.

Les thérapies ciblées contre les marqueurs des CSC ou les voies enrichies en CSC visent à éliminer les cellules initiatrices de tumeurs. Les anticorps anti-CD44, les approches ciblant le CD133 et les inhibiteurs de l’ALDH sont entrés en phase de développement préclinique et clinique précoce. Les thérapies de différenciation forçant les CSC à adopter des phénotypes non tumorigènes constituent une stratégie alternative.

Les lignées cellulaires de tumeurs solides constituent des modèles pour la recherche sur les CSC et le développement de traitements. Les cellules HCT116 permettent d’étudier les CSC du cancer colorectal, tandis que les cellules A549 et NCI-H460 facilitent la recherche sur les CSC du cancer du poumon. Les cellules U87MG fournissent des modèles de CSC de glioblastome pour les études sur les tumeurs cérébrales.

Contrôle de la qualité et normalisation

Des protocoles de cytométrie en flux normalisés garantissent une analyse reproductible des marqueurs des CSC. L’utilisation systématique de clones d’anticorps, de conjugués de fluorochromes et de stratégies de sélection cohérentes permet la comparaison entre les études. L’inclusion de contrôles appropriés, notamment des contrôles d’isotype et des contrôles « fluorescence moins un » (FMO), assure l’identification précise des populations positives pour les marqueurs.

L’authentification des lignées cellulaires confirme leur identité avant les études sur les marqueurs des CSC. Les tests de dépistage des mycoplasmes préviennent toute contamination susceptible d’altérer l’expression des marqueurs des CSC et leurs propriétés fonctionnelles. Le milieu de congélation CM-1 permet la conservation de populations enrichies en CSC en vue d’études longitudinales.

Conclusion

L’identification des marqueurs des cellules souches cancéreuses demeure essentielle pour comprendre la hiérarchie tumorale, prédire la réponse au traitement et mettre au point des thérapies ciblant les CSC. Bien que de nombreux marqueurs aient été proposés pour divers types de tumeurs, une validation fonctionnelle rigoureuse par transplantation à dilution limitante, passages en série et évaluation de la différenciation permet d’établir la véritable identité des CSC. Les technologies unicellulaires révèlent une hétérogénéité et une plasticité des CSC jusque-là méconnues, remettant en question les définitions statiques des CSC fondées sur les marqueurs. L’intégration de l’isolement basé sur les marqueurs à la caractérisation fonctionnelle et moléculaire offre l’approche globale nécessaire pour traduire la biologie des CSC en traitements anticancéreux améliorés.