Comment les biologistes sont aujourd’hui capables de cultiver des organes

Atlantico. Remplacer un organe défaillant par un autre est devenu un acte chirurgical courant, mais qui est limité par les dons d’organes. Comment les biologistes sont-ils capables d’obtenir en culture toutes sortes d’organoïdes humains (versions miniatures de nos organes) ?

Hervé Seitz : Il faut d'abord expliquer que ce ne sont pas "toutes sortes" d'organoïdes humains, mais seulement des organoïdes de quelques organes bien précis (le rein, le foie, l'intestin, la rétine ou le cerveau, par exemple).

On appelle « différenciation » le processus d'acquisition de caractéristiques spécifiques à un type cellulaire donné : c'est ce processus naturel qui fait que, in vivo, à partir d'une cellule unique (l'ovule fécondé par le spermatozoïde), le développement de l'organisme aboutit à une organisation complexe, avec de multiples types cellulaires (des fibres musculaires, des neurones, des globules rouges, des cellules de la peau, etc.). C'est parce que l'ovule fécondé se divise en de multiples cellules, qui, individuellement, vont ensuite s'engager dans des voies de différenciation particulières, que l'organisme adulte est finalement constitué d'une grande variété de types cellulaires.

Ces processus sont étudiés depuis longtemps, et ça fait maintenant quelques années qu'on maîtrise assez bien la différenciation de cellules-souches en des types cellulaires bien précis, ex vivo, dans des boîtes de Pétri. Il s'agit en général d'ajouter certains composés biochimiques dans le milieu de culture des cellules (ce sont des composés qui existent in vivo dans l'embryon en développement, et qui induisent ces différenciations). Le problème, c'est que, si on obtient effectivement des cellules différenciées, elles forment en général un amas désorganisé, elles ne s'agencent pas comme dans un organe naturel. Soit elles sont simplement réparties en deux dimensions sur le fond de la boîte de Pétri, soit elles forment de petits agrégats.

Les découvertes qui ont abouti à la fabrication de ces organoïdes viennent de l'étude des processus qui contrôlent naturellement la mise en place des organes dans le développement de l'embryon. Des expériences ont mis en évidence les impressionnantes capacités d'auto-organisation des cellules : d'une part, il existe des mécanismes d'attraction et de répulsion entre les cellules de différents lignages cellulaires (qui aboutiront chacun à certains types cellulaires différenciés), qui ségrègent naturellement les différents types cellulaires d'une culture, pour former des structures organisées (par exemple, des regroupements de cellules du même type, ou au contraire, des agencemenents alternés de différents types cellulaires). Ces phénomènes sont dus à des protéines présentes à la surface des cellules, qui contrôlent l'adhérence des unes avec les autres. D'autre part, il arrive aussi que la voie de différenciation d'une cellule (qui aboutira à un type cellulaire ou un autre) soit déterminée par la position de cette cellule dans la masse des autres cellules, ou par la façon dont elle a été générée par division cellulaire (quand une cellule se divise en deux nouvelles cellules, ces deux cellules-filles n'auront pas forcément la même destinée, selon la répartition des composés biochimiques qui sont partagés au moment de la division ; si bien que la direction de l'axe de cette division cellulaire va contrôler la présence de certaines cellules d'un côté de la masse de cellules, et d'autres de l'autre côté).

La compréhension de plus en plus précise de ces mécanismes a permis de récapituler, en laboratoire dans des boîtes de Pétri, la formation de structures complexes, hétérogènes (constituées de plusieurs types cellulaires différents, et agencés de manière similaire à ce qu'on trouve dans un organe naturel). En contrôlant finement les conditions de culture et de différenciation des cellules-souches, on finit par obtenir de mini-organes (des mini-reins, mini-foies, mini-cerveaux, ...), qui ont une organisation morphologique et un fonctionnement qui se rapprochent de ceux des organes naturels.

En quoi ces mini-organes sont une avancée de la science ? Quels sont leur utilité ?

Ces découvertes s'inscrivent dans une discipline très ancienne, qu'on appelle la « biologie du développement », héritière de l'embryologie des siècles précédents. Le problème principal auquel s'attaque la biologie du développement, c'est de comprendre comment, à partir d'une cellule unique (l'ovule fécondé par un spermatozoïde), qui est un objet à symétrie essentiellement sphérique, les phénomènes de division, de différenciation et de migration cellulaires aboutissent à un organisme hétérogène et structuré, avec (c'est le cas de la plupart des espèces animales les plus courantes dans notre environnement) un plan de symétrie entre la gauche et la droite. Sachant qu'à une échelle encore plus fine, même cette symétrie planaire est perdue (le cœur est à gauche, le foie à droite, les intestins se disposent d'une manière asymétrique, etc.).

Les mécanismes qui contrôlent la mise en place de ces structures, au cours du développement, sont étudiés à différentes échelles (à l'échelle de l'embryon entier, avec des mouvements massifs et coordonnés de structures entières dans l'embryon ; à l'échelle de la cellule, avec des divisions cellulaires asymétriques, qui orientent les deux cellules-filles issues de la division dans des directions bien précises ; à l'échelle de la molécule, avec des molécules diffusibles, émises à partir de certaines zones bien précises de l'embryon, et dont la concentration locale déterminera la destinée des différentes cellules : les cellules les plus proches de l'émission recevront plus de ce composé que les cellules les plus éloignées). On s'aperçoit que les mécanismes responsables de la formation des organes dans un embryon sont multiples, et le patient travail des biologistes du développement constitue la base culturelle qui a été mise à profit pour produire ces fameux organoïdes, simplement en recréant artificiellement les conditions de concentration en composés biochimiques et les contraintes mécaniques qui aboutissent, in vivo, à l'apparition des organes.

L'une des utilités évidentes auxquelles on pense tout de suite, c'est la médecine régénérative. Quand un patient souffre d'un organe défaillant et qu'il est impossible de le corriger par des médicaments, la méthode actuelle consiste à greffer un nouvel organe, prélevé chez un donneur d'organe. Cette méthode a de multiples inconvénients : d'une part, il faut trouver le donneur ; d'autre part, il faut que le prélèvement de l'organe et son transport jusqu'au receveur préservent son intégrité et sa fonctionnalité ; enfin, comme le greffon provient d'une personne différente, il sera reconnu comme un élément étranger par le système immunitaire du receveur d'organe - il faut donc, pour que l'organe greffé ne soit pas détruit par le système immunitaire du patient greffé, affaiblir considérablement le système immunitaire du receveur. Ce qui a beaucoup d'effets secondaires, puisque le système immunitaire nous protège habituellement contre les pathogènes ...

On peut donc rêver d'une méthode qui permettrait, à partir de cellules-souches prélevées chez le receveur, de fabriquer un organe ex vivo, en laboratoire, et d'ensuite le greffer chez le patient. Si cet organe est fabriqué à partir de ses propres cellules, il ne sera pas reconnu comme un élément étranger par son système immunitaire ; et puisque la fabrication de l'organe est contrôlée en laboratoire, toute la logistique du prélèvement et du transport du greffon sera simplifiée. Il faut bien préciser cependant qu'on est encore loin de ce résultat : d'une part, les « organoïdes » obtenus à ce jour sont, comme leur nom le signifie bien, des choses qui « ressemblent » à des organes naturels, mais qui s'en distinguent quand même beaucoup (ne serait-ce que par leur taille : ce sont de petites structures, qui tiennent dans une boîte de Pétri ; mais aussi par leur organisation interne : on ne parvient pas à récapituler précisément tous les phénomènes qui contrôlent le développement naturel des organes, si bien que la structure des organoïdes synthétiques ne reproduit pas fidèlement celle des organes naturels). D'autre part, seuls quelques organes bien précis ont pu être copiés en « organoïdes », et on est loin de disposer du livre de recettes qui permettrait, pour un organe quelconque, de savoir comment le fabriquer à partir de cellules-souches.

Une application plus réaliste à court terme pour ces organoïdes, c'est leur utilisation pour tester des traitements médicaux. On imagine volontiers qu'un mini-organe humain, malgré ses imperfections, se comportera d'une manière assez similaire à un véritable organe humain quand on le soumettra à un médicament : les organoïdes pourraient permettre de mesurer les effets de médicaments sur une pathologie, de mesurer leurs éventuels effets secondaires, avant de prendre le risque de les administrer à des volontaires.

Des organoïdes peuvent également être obtenus de cellules adultes différenciées. Expliquez-nous ce processus !

On l'a vu, toute la méthode repose sur la disponibilité de cellules-souches : c'est le matériau de départ pour fabriquer ces organoïdes. L'un des obstacles à la production d'organoïdes, c'est donc l'extraction et la purification de cellules-souches, et notamment à partir d'un patient humain si on veut produire un organoïde humain. Il existe des cellules-souches facilement accessibles, notamment dans le cordon ombilical ; mais chez un adulte, les cellules-souches sont très rares et peu accessibles.

En revanche, on s'est aperçu que des cellules adultes différenciées (donc a priori incapables de se différencier en d'autres types cellulaires) peuvent être transformées en cellules dites « pluripotentes », qui ont la capacité de se différencier en une grande variété de types cellulaires. Peut-être pas exactement tous les types cellulaires, mais au moins un très grand nombre. Là encore, il s'agit de soumettre ces cellules, prélevées chez un donneur, à des conditions de culture particulières, pour obtenir ces précieuses cellules pluripotentes. Cette découverte, qui facilite énormément la production de cellules pluripotentes, a valu en 2012 le prix Nobel de médecine et de physiologie à deux de ses contributeurs principaux, John Gurdon et Shinya Yamanaka.

Quelles sont les dérives dont il faudrait se méfier ?

L'application technologique de nouvelles découvertes suscite souvent des espoirs (parfois encore inaccessibles pour longtemps), mais aussi des inquiétudes. Étant donné l'ampleur des mises au point qui restent à faire avant de pouvoir véritablement produire des organes « prêts à greffer » en laboratoire, il est difficile d'imaginer les dérives potentielles. Les questions éthiques qui me viennent à l'esprit concernent surtout la définition du « soi » : on sait que certains greffés vivent finalement assez mal le fait de porter, au quotidien, un organe qui leur apparaît étranger. Ce qui est vrai après une greffe conventionnelle devrait l'être aussi après une greffe d'organe fabriqué en laboratoire. Même si c'est un exercice intellectuel tout à fait gratuit pour le moment, on peut aussi s'amuser à faire de la science-fiction, même de la psychologie-fiction, en se demandant quel serait le statut d'un morceau de cerveau greffé, et comment l'identité du receveur en serait affectée ... sachant que, je le répète, on est encore très loin de savoir créer un cerveau artificiellement, et de le connecter dans le système nerveux d'un receveur.

De manière beaucoup plus terre-à-terre, il est également important de garder conscience que, comme pour toutes les découvertes populaires (de celles qui font leur chemin jusqu'à la presse grand public), les chercheurs impliqués dans ces travaux sont soumis à une grande pression, à laquelle ils ne sont pas forcément préparés. Ils peuvent même être tentés, d'un point de vue égoïstement carriériste, de mentir sur leurs résultats, d'embellir les conclusions, et de manipuler les analyses, pour attirer l'attention des médias, des financeurs, et de leur hiérarchie. On a justement vu un exemple récemment, dans le domaine des cellules pluripotentes : une chercheuse avait publié des résultats caviardés, censés décrire une nouvelle technique, très simple, de production de cellules pluripotentes. L'intérêt frénétique de la société pour ces questions, compréhensible au vu des applications thérapeutiques envisageables, contraste clairement avec le désintérêt habituel des médias pour la chose scientifique - et on constate que ce sont souvent les domaines scientifiques les plus à la mode qui sont les plus affectés par la fraude scientifique. C'est peut-être ça, à moyen terme, la principale dérive dont il faudra se prémunir : il faudra s'assurer de la sincérité des résultats publiés.