Régénération fonctionnelle d’organes ectodermiques comme prochaine génération de thérapie de remplacement d’organes

Introduction

De nombreuses avancées dans divers domaines de recherche, notamment la biologie du développement, la biologie des cellules souches et la technologie de l’ingénierie tissulaire, ont facilité la médecine régénérative . La première génération de médecine régénérative est la thérapie de transplantation de cellules souches utilisant des cellules souches dérivées de tissus, des cellules souches embryonnaires (ES) ou des cellules souches pluripotentes induites (iPS) . Par exemple, la greffe de moelle osseuse est déjà devenue un traitement courant de la leucémie et de l’anémie hypoplasique. En outre, les cellules ES et les cellules iPS font l’objet d’essais cliniques pour de nombreuses maladies et lésions, notamment la leucémie, la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer, l’infarctus du myocarde, le diabète, les maladies du foie et diverses autres affections. La régénération tissulaire se positionne comme la deuxième génération de la médecine régénérative, et plusieurs produits, dont la peau et le cartilage, sont déjà sur le marché. En outre, la première thérapie de régénération tissulaire au monde utilisant des cellules iPS dérivées du patient ou d’un donneur anonyme fait l’objet d’un essai clinique pour guérir la dégénérescence maculaire liée à l’âge .

La prochaine génération de thérapie régénérative cible des organes entiers composés de plusieurs types de cellules avec une structure tridimensionnelle complexe . Au cours de cette décennie, les avancées dans le domaine de la biologie des cellules souches et de la biologie du développement ont offert de nouvelles possibilités de régénérer des organes fonctionnels. Au cours du développement embryonnaire, les organes naissent des germes d’organes respectifs, qui sont induits par des interactions réciproques entre les cellules souches épithéliales et mésenchymateuses déterminées par le destin, selon les champs de formation d’organes individuels (figure 1a) . La régénération fonctionnelle d’organes a été réalisée pour la première fois en 2007 grâce à la mise au point d’une nouvelle méthode de manipulation cellulaire permettant de générer un germe d’organe issu de la bio-ingénierie avec des cellules souches épithéliales et mésenchymateuses isolées d’un germe d’organe embryonnaire (figure 1b) . Cette étude pionnière et les études ultérieures ont rapporté la régénération entièrement fonctionnelle de plusieurs types d’organes ectodermiques, fournissant des preuves du concept de régénération fonctionnelle des organes .

Figure 1. Illustration schématique de l’organogenèse embryonnaire et des approches pour la régénération des organes. (a) Schéma de l’organogenèse. Un organe fonctionnel est développé par l’établissement de champs de formation d’organes, la formation de germes d’organes par des interactions épithéliales et mésenchymateuses réciproques, et la morphogenèse. (b) Schéma de la régénération entièrement fonctionnelle d’un organe ectodermique en imitant la formation de germes d’organes à l’aide de cellules souches épithéliales et mésenchymateuses déterminées par le destin embryonnaire et ayant un potentiel d’induction d’organes. (c) Illustration schématique de la génération d’organoïdes par récapitulation de l’établissement de champs de formation d’organes dans des masses cellulaires générées à partir de cellules souches pluripotentes.

Le changement de paradigme suivant est intervenu en 2008 avec la découverte des organoïdes, générés par l’induction d’un champ de formation d’organes dans un agrégat cellulaire issu de cellules souches pluripotentes telles que les cellules ES et les cellules iPS, ainsi que de cellules souches tissulaires (figure 1c) . Pratiquement tous les types d’organoïdes peuvent être générés, y compris ceux du système nerveux central (c’est-à-dire le cortex cérébral, l’hypophyse, la cupule optique et l’oreille interne) . Bien que l’émergence de l’organoïde représente une percée technologique servant désormais d’outil essentiel dans de nombreuses applications de biologie fondamentale et clinique, les organoïdes ne peuvent encore reproduire que partiellement la structure et la fonction des organes d’origine. Par conséquent, la majorité des organoïdes uniques générés à ce jour ont pu remplacer les fonctions limitées et/ou partielles d’un organe complet, et sont donc actuellement considérés comme des mini-organes. Récemment, des organoïdes de glandes salivaires ont été développés avec succès et ont démontré la régénération d’organes entièrement fonctionnels lors de transplantations orthotopiques. Les principes du développement des organes ectodermiques étant similaires à ceux des autres organes, il est important de mieux comprendre la régénération des organes ectodermiques pour parvenir à la régénération fonctionnelle complète d’autres organes (figure 1a). En outre, la régénération d’un système d’organes tégumentaires (IOS) en utilisant une méthode d’organoïde in vivo a clairement démontré la possibilité de régénération de systèmes d’organes .

Dans cette revue, nous décrivons les progrès récents dans la régénération d’organes en utilisant diverses populations de cellules souches et des stratégies basées sur la biologie du développement et la biologie des cellules souches et discutons des orientations futures pour la thérapie de remplacement d’organes comme la prochaine génération de médecine régénérative d’organes.

Développement d’une méthode de manipulation cellulaire tridimensionnelle, la méthode du germe d’organe, en utilisant des cellules embryonnaires

Les chercheurs ont tenté de régénérer des organes depuis plusieurs décennies en combinant des cellules fonctionnelles, des matériaux d’échafaudage et des substances physiologiquement actives en utilisant des techniques d’ingénierie tissulaire . Bien que ces études antérieures aient apporté certaines contributions à la régénération d’organes, des préoccupations considérables existent concernant les résultats de ces études, comme la faible efficacité de l’induction d’organes et la direction et la taille incontrôlables de l’organe régénéré. Grâce aux progrès des cellules souches et de la biologie du développement, la reproduction de l’organogenèse au stade fœtal a progressé au cours des 30 dernières années. Le processus de développement de la régénération des organes commence par l’induction du germe de l’organe par des interactions épithéliales-mésenchymateuses dans le champ de l’organe qui se forme après l’établissement du plan du corps pendant le développement précoce. Des techniques de manipulation cellulaire conçues pour régénérer des germes d’organes ont été développées au fil des ans, mais la reproduction complète du développement et de la régénération des organes fonctionnels n’a pas été réalisée.

Nous avons développé une méthode de bio-ingénierie, désignée comme la méthode du germe d’organe, pour récapituler l’induction du germe d’organe par des interactions épithéliales et mésenchymateuses dans les premiers stades du développement . Nous avons compartimenté des cellules épithéliales et mésenchymateuses isolées de l’embryon de souris à une densité cellulaire élevée dans un gel de collagène de type I afin de reproduire précisément les processus qui se produisent pendant l’organogenèse. En utilisant cette nouvelle méthode, nous avons observé la régénération fonctionnelle de plusieurs types d’organes ectodermiques, tels que les dents, les follicules pileux et les glandes sécrétoires .

Dents de bio-ingénierie entièrement fonctionnelles

3.1. Développement de la dent

Dans le développement du germe dentaire, la lamina dentaire s’épaissit initialement (stade lamina) (figure 2a). Le germe dentaire se développe et interagit avec l’épithélium et le mésenchyme de la muqueuse buccale. Par la suite, l’épaississement épithélial à l’emplacement futur de la dent et le bourgeonnement épithélial (stade du bourgeon) vers le mésenchyme sous-jacent dérivé de la crête neurale sont induits par des signaux épithéliaux aux jours embryonnaires 11-13 chez la souris. Aux jours 13 à 15, le nœud de l’émail agit comme un centre de signalisation responsable de la formation et du maintien de la papille dentaire. Les nœuds primaires de l’émail sont formés au niveau du bourgeon dentaire et apparaissent pendant la transition entre le stade du bourgeon et celui de la calotte. Aux DE 17-19, les cellules épithéliales et mésenchymateuses du germe dentaire se différencient de manière terminale. Le mésenchyme se différencie également en pulpe dentaire et en tissus parodontaux, qui deviendront le cément, le ligament parodontal et l’os alvéolaire. La formation de la racine dentaire est initiée après la formation de la couronne dentaire, et les dents matures font éruption dans la cavité buccale.

Figure 2. Régénération de dents bio-ingénierie entièrement fonctionnelles. (a) Schéma du développement de la dent. (b) Analyse du cours du temps de l’éruption dentaire à partir du germe de dent bio-ingénierie transplanté (i) et de la dent régénérée à l’aide de cellules dérivées de souris transgéniques GFP (ii). Barre d’échelle : 500 µm. (c) Analyse histologique de la dent régénérée. Notez que la dent issue de la bio-ingénierie a également formé une structure dentaire correcte, comprenant l’émail, la dentine, la pulpe dentaire et le tissu parodontal. Barre d’échelle : 200 µm.

3.2. Régénération de dents entièrement fonctionnelles

La perte de dents due aux caries dentaires, aux maladies parodontales ou aux traumatismes entraîne des problèmes fondamentaux de la bonne fonction buccale et sont associés à des problèmes de santé buccale et générale . Les traitements dentaires conventionnels conçus pour restaurer les fonctions occlusales après la perte de dents sont basés sur le remplacement des dents par des matériaux artificiels, tels que les prothèses fixes ou amovibles et les bridges. Bien que ces thérapies artificielles soient largement appliquées pour traiter les troubles dentaires, le rétablissement d’une occlusion est nécessaire car les dents se coordonnent avec la force occlusale et la force orthodontique des muscles environnants, et l’intégrité du système stomatognathique est conservée en établissant le système occlusal pendant la croissance de la mâchoire dans la période postnatale . Les progrès récents en matière de régénération tissulaire ont permis aux chercheurs d’améliorer les fonctions des dents biologiques en facilitant le développement dentaire sous-jacent par le remodelage osseux et en aidant la capacité à percevoir les stimuli nocifs .

Comme l’a montré notre étude précédente, un germe dentaire bio-ingénié se développe en une structure dentaire correcte et fait éruption avec succès dans la cavité buccale après la transplantation dans la région de la dent perdue (figure 2b) . Dans le cas d’une unité de dent mature de génie biologique transplantée comprenant une dent mature, le ligament parodontal et l’os alvéolaire peuvent être greffés dans la région de la perte de la dent par intégration osseuse chez le receveur (figure 2c) . La dent issue du génie biologique maintient des interactions avec le ligament parodontal et l’os alvéolaire provenant de l’unité dentaire issue du génie biologique grâce à une intégration osseuse réussie. La dureté de l’émail et de la dentine des composants de la dent de génie biologique se situait dans la plage normale lorsqu’elle a été analysée à l’aide du test de dureté Knoop. Le contrôle de la forme de la dent est considéré comme une orientation future importante. Les dents sont générées en guidant le mésenchyme selon le plan du corps pendant le processus de développement. En ce qui concerne le contrôle morphologique des dents, la largeur de la dent est contrôlée par la zone de contact entre les couches de cellules épithéliales et mésenchymateuses, et le nombre de cuspides est contrôlé par l’expression de Shh dans l’épithélium interne de l’émail. Cette technologie de dent bio-ingénierie contribue à la réalisation de la thérapie régénérative de remplacement de dent entière comme une thérapie de prochaine génération.

Follicule de cheveux bio-ingénierie entièrement fonctionnelle

4.1. Développement du follicule pileux

Les souris possèdent quatre types de poils différents sur leur dos, classés en poils de garde, alène, auchène et zigzag. Le développement du follicule pileux dans la peau dorsale de la souris commence par la détermination du destin des cellules mésenchymateuses à environ ED 10,5, ce qui entraîne la formation d’un condensat dermique. Des interactions réciproques entre le condensat dermique et l’épiderme sus-jacent conduisent à l’induction de la placode pileuse (figure 3a). Une fois que le placode pileux est établi, le développement du follicule pileux se produit en trois vagues, en commençant par le développement du poil de garde à l’ED 14,5, suivi par le poil de l’alène et de l’auchène à l’ED 17 et le poil en zigzag à la naissance . L’extrémité inférieure de l’épithélium du cheveu qui s’enroule autour d’une cellule dermique condensée forme le germe de la matrice du cheveu. La cellule dermique condensée forme une papille dermique, qui est considérée comme une niche pour les cellules souches mésenchymateuses du follicule pileux, et induit la différenciation de la matrice pileuse et forme la gaine radiculaire interne du follicule pileux et la tige du cheveu. La région du renflement forme également une niche de cellules souches épithéliales et se connecte simultanément avec les fibres nerveuses et le muscle arrector pili (figure 3a) .

Figure 3. Régénération entièrement fonctionnelle du follicule pileux par bio-ingénierie. (a) Schéma du développement du follicule pileux. (b) Germe d’organe bio-ingénié représentatif généré à partir de cellules épithéliales de bulge (vert) et de papilles dermiques (rouge). (c) Observations macro-morphologiques des poils bio-engineered (arrowhead). (d) Analyse de la capacité de piloérection par administration d’acétylcholine (ACh). Pointe de flèche blanche, avant l’injection d’ACh ; pointe de flèche noire, après l’injection d’ACh. Barre d’échelle : 1 mm.

4.2. Régénération pleinement fonctionnelle du follicule pileux

L’organe pileux a les fonctions biologiques de thermorégulation, d’isolation physique des rayons UV, d’imperméabilisation, de sensation tactile, de protection contre les stimuli nocifs, de camouflage et de communication sociale . Les troubles de la chute des cheveux, tels que la dysplasie congénitale des follicules pileux et l’alopécie androgénétique, sont psychologiquement pénibles et ont des effets négatifs sur la qualité de vie des deux sexes. Les traitements pharmacologiques actuels ne permettent pas d’obtenir un contrôle idéal de la perte de cheveux, comme la dysplasie congénitale du follicule pileux ou l’alopécie areata . La demande de développement de technologies de bio-ingénierie permettant une thérapie régénérative pour la perte de cheveux a augmenté.

Dans le cycle du cheveu, les germes du follicule pileux sont reconstitués périodiquement, et des cellules souches épithéliales et mésenchymateuses capables de régénérer les follicules pileux sont présentes, même chez les adultes. Cet organe est donc le seul pour lequel les germes de reconstitution peuvent être régénérés à partir de cellules dérivées de l’adulte. La transplantation autologue de follicules pileux dans laquelle un seul follicule pileux est isolé de la région saine du cuir chevelu et transplanté chez des patients souffrant d’alopécie masculine a été rapportée, et les follicules pileux transplantés conservent leurs caractéristiques . Selon de nombreux chercheurs, le remplacement des cellules dermiques de la peau par des cellules mésenchymateuses, prélevées sur des bulbes pileux adultes dans un follicule pileux, induit la formation de nouveaux follicules pileux. Cependant, la régénération de follicules pileux qui fonctionnent en coopération avec le tissu environnant est difficile. Notre groupe a reconstitué un germe de follicule pileux de bio-ingénierie, qui contient des cellules souches mésenchymateuses, en utilisant des cellules épithéliales dérivées du bulbe et des cellules de la papille dermique isolées non seulement d’embryons, mais aussi de souris adultes (figure 3b) . Après la transplantation orthotopique, les germes de follicules pileux issus de la bio-ingénierie se développent en follicules pileux matures dotés de structures appropriées et produisent des cheveux tout au long de leur vie (figure 3c). De plus, les follicules pileux régénérés se sont connectés efficacement avec le tissu hôte environnant et ont montré un réflexe pilomoteur en réponse à l’administration d’acétylcholine (figure 3d). Cette étude a démontré le potentiel des cellules souches tissulaires isolées des follicules pileux adultes pour se développer en follicules pileux humains dans le domaine de la médecine régénérative.

Glandes sécrétoires bio-ingénierie entièrement fonctionnelles

5.1. Développement des glandes salivaires et lacrymales

Les glandes sécrétoires, notamment les glandes salivaires et les glandes lacrymales, sont indispensables à la protection et au maintien des fonctions physiologiques dans le microenvironnement des surfaces buccales et oculaires. Les glandes sécrétrices se développent via des interactions épithéliales-mésenchymateuses réciproques. Les glandes salivaires sont classées en trois grands types : la glande parotide (PG), la glande submandibulaire (SMG) et la glande sublinguale (SLG). La glande sous-mandibulaire se développe par l’invagination de l’épithélium dans la région mésenchymateuse sur le DE 11. Le tissu épithélial invaginé prolifère pour former une tige épithéliale (figure 4a). Un bourgeon terminal forme une structure ramifiée en développant une fente et en répétant le processus d’élongation et de ramification des DE 12,5-14,5 . Les bulbes terminaux se différencient en cellules acineuses et arrivent à maturité pour synthétiser les protéines secrétaires au DE 15 . En revanche, la glande lacrymale se développe également par l’invagination de l’épithélium dans un sac mésenchymateux dans la région temporale de l’œil au DE 12,5. Les bourgeons épithéliaux arrondis se condensent dans le fornix conjonctival supérieur, qui s’invagine ensuite dans le mésenchyme environnant. Le germe de la glande lacrymale forme des ramifications via la morphogenèse d’élongation du pédoncule et de formation de la fente. La structure fondamentale de la glande lacrymale est obtenue par ED 19 .

Figure 4. Régénération entièrement fonctionnelle de la glande salivaire bio-ingénierie à partir de germe d’organe bio-ingénierie et organoïde. (a) Schéma du développement de la glande salivaire. (b) Schéma de la transplantation de la glande salivaire issue de la bio-ingénierie. Le germe bio-ingénieur a été transplanté avec un fil de nylon pour favoriser la connexion au canal à l’emplacement du PG. Barre d’échelle : 200 µm. (c) Photographie d’un SMG bio-ingénié au jour 30 après la transplantation chez une souris présentant des anomalies des glandes salivaires. (d) Évaluation de la quantité de salive sécrétée par des souris normales (barres claires) et des souris greffées avec une glande salivaire bio-ingéniée (barres foncées) après stimulation gustative avec du citrate. Les données sont présentées sous forme de moyennes ± s.e.m. Barre d’échelle : 200 µm. (e) Photographie de la glande salivaire marquée par la GFP, dérivée de cellules ES de souris, au jour 30 après la transplantation chez une souris présentant des défauts de la glande salivaire. Barre d’échelle : 200 µm. (f) Évaluation de la quantité de salive sécrétée chez des souris porteuses d’organoïdes de glande salivaire combinés après stimulation par l’eau (barres de droite) ou l’acide citrique (barres de gauche). Les données sont présentées comme les moyennes ± s.e.m.

5.2. Régénération des glandes salivaires et lacrymales

La sécheresse buccale et la sécheresse oculaire sont des symptômes courants. Les maladies des glandes salivaires comprennent les tumeurs salivaires, les troubles obstructifs, les infections et les symptômes des maladies systémiques, telles que le syndrome de Sjögren, les lymphomes et les maladies métaboliques . Ces maladies affectent également les glandes lacrymales, entraînant une sécheresse oculaire. Le dysfonctionnement et les troubles associés à ces glandes exocrines entraînent une diminution générale de la qualité de vie. Cependant, les thérapies actuelles pour les maladies caractérisées par une sécheresse buccale et oculaire ne traitent que les symptômes. Ces thérapies n’exercent que des effets temporaires et n’inversent pas le dysfonctionnement des glandes exocrines.

Notre groupe a cherché à développer de meilleurs traitements en reconstituant un germe de glande salivaire bio-ingénié à partir de cellules épithéliales et mésenchymateuses dérivées de germes de glande salivaire embryonnaires de souris ED 13,5-14,5 en utilisant notre méthode de germe d’organe développée (figure 4b) . Après une transplantation orthotopique suite à l’ablation des glandes salivaires natives, le germe de glande salivaire de bio-ingénierie s’est développé en une glande salivaire mature, et une connexion appropriée a été formée entre le canal salivaire hôte et le canal salivaire de bio-ingénierie (figure 4b). Cette procédure a conduit au développement d’un canal de la glande salivaire connecté chez la souris receveuse avec des structures de tissu acinaire similaires à la glande salivaire naturelle (figure 4c). La glande salivaire de bio-ingénierie a régénéré les cellules acineuses séreuses et a présenté une structure d’organe naturelle. Une entrée nerveuse dans ces glandes salivaires de bioingénierie a également été notée, et la sécrétion de salive a été induite dans la glande salivaire par la stimulation du bourgeon gustatif à l’aide d’acide citrique (figure 4d).

Nous avons également reconstitué un germe de glande lacrymale de bioingénierie à partir de cellules épithéliales et mésenchymateuses dérivées des germes de glande lacrymale de l’embryon de souris ED 16.5 . Le germe de glande lacrymale issu de la bio-ingénierie, qui a été généré par la méthode du germe d’organe, a subi avec succès une morphogenèse ramifiée. Après la transplantation, ces glandes se sont développées en structures de glandes sécrétrices matures in vivo. Ces résultats ont confirmé la possibilité de régénérer une glande sécrétoire de bio-ingénierie en utilisant la transplantation de germe d’organe.

Génération d’organoïdes en tant que mini-organes à partir de cellules souches pluripotentes

Des organoïdes, qui reproduisent la structure et la fonction partielles des organes, ont été générés à partir de cellules souches multipotentes sur la base du concept de récapitulation du processus d’induction d’un champ de formation d’organes avec une auto-organisation ultérieure pendant l’organogenèse embryonnaire. Cette induction a été réalisée en utilisant diverses combinaisons de cytokines, qui imitent la structuration et le positionnement de la signalisation dans l’embryon. Ce concept a d’abord été prouvé par la génération réussie d’un organoïde de coupe optique à partir de cellules ES. Par la suite, divers organoïdes ont été induits dans chaque champ de formation d’organes, tels que la rétine, l’hypophyse, le cerveau, l’oreille interne et le follicule pileux dans le champ de la tête ; la thyroïde et le poumon dans le champ du thorax ; et l’intestin grêle, l’estomac et le rein dans le champ de l’abdomen .

Les cellules souches tissulaires adultes, telles que les cellules souches intestinales , pulmonaires , gastriques et pancréatiques , sont également capables de générer des organoïdes par auto-organisation de leur niche, qui peuvent reproduire partiellement la structure tissulaire d’origine. Bien que la définition d’un organoïde soit légèrement différente selon son origine (cellules souches pluripotentes ou cellules souches tissulaires), les organoïdes reproduisent partiellement la structure de l’organe ou du tissu et peuvent croître jusqu’à une taille limitée, ce qui les fait considérer comme des mini-organes. Par conséquent, contrairement à un germe d’organe issu de la bio-ingénierie, un organoïde est incapable de remplacer complètement les fonctions de ses organes d’origine après une transplantation orthotopique à lui seul ; cependant, la transplantation orthotopique et hétérotopique de plusieurs organoïdes peut récupérer partiellement la fonction de l’organe .

Récemment, nous avons réussi à régénérer une glande salivaire entièrement fonctionnelle à partir de cellules ES de souris in vivo (figure 4e,f) . En utilisant la méthode générale de formation d’organoïdes, nous avons généré le primordium de la glande salivaire en tant qu’organoïde par l’induction d’un champ de formation d’organes (c’est-à-dire l’ectoderme oral), qui a ensuite été transplanté orthotopique. L’organoïde transplanté s’est développé en une glande salivaire mature dotée d’une structure tissulaire correcte, comme le tissu acinaire, et a formé des connexions appropriées avec les tissus environnants, y compris le canal PG et les nerfs. De plus, la glande salivaire régénérée a sécrété de la salive en réponse à une stimulation gustative utilisant de l’acide citrique, ce qui démontre la récupération fonctionnelle complète de la glande salivaire d’origine après la transplantation orthotopique de l’organoïde (figure 4f). Ces études démontrent clairement la faisabilité de la régénération fonctionnelle d’organes à l’aide d’organoïdes, générés en induisant un champ de formation d’organes dans des cellules souches multipotentes, et non dans des cellules souches embryonnaires à potentiel de formation d’organes. Le développement du nouveau système de culture in vitro permettant aux organoïdes de grands organes, tels que le foie et le rein, de croître à une taille appropriée devrait être le prochain sujet de recherche pour réaliser la régénération d’organes.

Régénération d’un IOS tridimensionnel à partir de cellules iPS

La fonction coordonnée de plusieurs organes, collectivement appelés système d’organes tels que le système nerveux central, le système circulatoire, le système digestif et l’IOS, est vitale pour maintenir l’homéostasie dans un organisme . Par conséquent, la régénération de l’ensemble du système organique constitue le prochain défi dans le domaine de la médecine régénérative. L’IOS est le plus grand système organique de l’organisme. Ce système contient plusieurs organes, tels que les follicules pileux, la glande sébacée et la glande sudoripare, en plus du tissu cutané qui est composé de l’épiderme, du derme et de la graisse sous-cutanée. Le système organique de la peau joue des rôles importants dans l’homéostasie, tels que la sécrétion d’humidité et de sébum, et la protection contre les rayons ultraviolets et les stimulations externes par les tiges capillaires. Les lésions cutanées provoquées par des brûlures graves mettent la vie en danger. Les défauts congénitaux et la perte des appendices cutanés affectent considérablement la qualité de vie, bien qu’un traitement médical régénérateur partiel avec des feuilles épidermiques soit possible. La création d’une peau artificielle comprenant l’épiderme et le derme, ainsi que la régénération des organes du follicule pileux par manipulation cellulaire, ont été rapportées. Néanmoins, aucun système d’organe cutané n’a été régénéré.

Récemment, nous avons réussi à régénérer l’IOS en induisant un champ de formation d’organes dans des corps embryoïdes (EBs) dérivés de cellules iPS de souris (figure 5a) . Après la transplantation des EBs dans la capsule sous-rénale, la génération d’appendices cutanés comprenant des follicules pileux, des glandes sébacées et du tissu adipeux sous-cutané a été confirmée dans l’IOS bio-engineered sans aucune tumorigenèse (figure 5b,c). En outre, le nombre et la densité des cheveux régénérés dans le MOI issu de la bioingénierie étaient les mêmes que ceux trouvés dans les cheveux naturels, ce qui suggère que l’organogenèse dans le MOI s’est déroulée de la même manière que dans le développement normal. Le SOI bio-ingénieur généré dans la capsule sous-rénale était entièrement fonctionnel après transplantation sur la peau du dos de souris nude, comme en témoigne le cycle répétitif des poils (figure 5d). Cette étude a prouvé le concept de régénération du système organique in vivo. Du point de vue de l’application pratique, une nouvelle stratégie pour générer un système d’organes in vitro est souhaitée. Une telle stratégie pourrait consister à assembler les multiples types d’organoïdes en tant que parties. La recherche pour contrôler la configuration des organoïdes et les cultiver in vitro sera la prochaine tendance dans le domaine de la médecine régénérative.

Figure 5. Bioingénierie d’un IOS tridimensionnel à partir de cellules iPS. (a) Schéma de la formation d’IOS à partir de cellules souches pluripotentes en induisant des champs de formation de la peau et des signaux inductifs ultérieurs du système d’organes. (b) Schéma des cultures d’EBs et de la nouvelle méthode de transplantation, une transplantation d’EBs dépendante du regroupement (CDB), dans laquelle les EBs sont disposés spatialement dans des gels de collagène pour induire des tissus épithéliaux. Barre d’échelle : 50 µm. (c) Microscopie de dissection (i) et coloration H&E (ii) d’IOS tridimensionnels issus de cellules iPS. Barre d’échelle : 500 µm. (d) Microscopie de dissection d’un fragment de peau de l’IOS bio-engineered avant (i) et après (ii) la transplantation. Notez que l’éruption et la croissance de la tige pilaire ont eu lieu après la transplantation du fragment de peau. Barre d’échelle : 200 µm.

Conclusion et perspectives futures

Au cours de cette décennie, les études sur la régénération des organes à partir de la technologie de la bio-ingénierie ont fait de grands progrès vers la réalisation de la thérapie régénérative des organes en incorporant les concepts de la biologie des cellules souches et de la biologie du développement. D’après les résultats des études sur les organoïdes, pratiquement tous les mini-organes peuvent être générés à partir de cellules souches pluripotentes ou de cellules souches tissulaires, ce qui dissipe les inquiétudes concernant la source des cellules pour la thérapie régénérative des organes. La régénération fonctionnelle d’organes ectodermiques à l’aide de cellules isolées de germes d’organes embryonnaires, de cellules souches à potentiel d’induction d’organes et de cellules souches pluripotentes prouve le concept de thérapie de remplacement d’organes.

Le développement d’un système de culture tridimensionnel in vitro ayant la capacité de faire croître des organoïdes et des germes d’organes à une taille appropriée est essentiel pour parvenir à la régénération fonctionnelle de multiples organes et systèmes d’organes. Les systèmes de culture in vitro actuels ne permettent pas la croissance ou le maintien appropriés d’organoïdes ou de germes d’organes en raison de l’apparition de nécroses à l’intérieur de ces tissus, principalement dues à l’absence d’apport en nutriments. In vivo, le système de circulation sanguine est essentiel pour maintenir les fonctions des organes par le transport de l’oxygène, l’apport de nutriments et l’élimination des déchets. Les progrès récents de l’ingénierie tissulaire ont montré que le réseau vasculaire administre des substances biologiques à l’intérieur du sphéroïde cellulaire. De plus, nous avons précédemment développé un système de culture par perfusion d’organes utilisant un réseau vasculaire qui a maintenu le foie de rat dans un état sain pendant une période prolongée , fournissant des indices pour le développement d’un nouveau système de culture tridimensionnel.

Parce que les cellules souches de follicules pileux sont les seules cellules souches adultes possédant un potentiel d’induction d’organes qui peuvent être transplantées de manière autogène, le premier essai clinique humain de thérapie régénérative d’organes étudiera sans aucun doute la régénération des follicules pileux. La régénération des follicules pileux à l’aide de notre méthode de germe d’organe fait actuellement l’objet d’une étude préclinique visant à guérir les patients souffrant d’alopécie androgénique, dans le but de mener des essais cliniques en 2020. Cette thérapie régénérative du follicule pileux constituera une étape importante dans les thérapies régénératives d’organes et conduira au développement d’une infrastructure matérielle et réactive pour réaliser la médecine régénérative d’organes. L’application des connaissances sur la régénération du follicule pileux et de l’expertise obtenue lors des essais cliniques à d’autres germes d’organes ou organoïdes permettra la régénération d’autres organes à partir de cellules souches pluripotentes et tissulaires en combinaison avec les technologies d’organoïdes dans les prochaines décennies.

Accessibilité des données

Cet article ne comporte pas de données supplémentaires.

Contributions des auteurs

T.T. a conçu cette revue. E.I., M.O., M.T. et T.T. ont rédigé le manuscrit.

Intérêts concurrents

Cette étude a été réalisée dans le cadre d’un accord d’invention entre le Riken et Organ Technologies Inc. T.T. est directeur chez Organ Technologies Inc.

Funding

La publication de cette revue a été partiellement soutenue par une Grant-in-Aid for KIBAN (A) du ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie (subvention n° 25242041) et par une subvention de collaboration (à T.T.) de Organ Technologies Inc. Ce travail a été partiellement financé par Organ Technologies Inc.

Reconnaissance

Les auteurs remercient les membres de leurs laboratoires qui ont réalisé les expériences référencées dans le manuscrit.

Notes de bas de page

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