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Fiche explicative de la leçon : Cellules souches Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons rappeler l’emplacement et la fonction des cellules souches et expliquer leurs utilisations en médecine.

Les cellules souches sont comme l’équipe de rénovation de notre organisme. Vos tissus musculaires ont-ils besoin d'être entretenus?Peut-être que vos tissus cardiaques ont besoin d'être réparés?Il existe dans votre organisme des cellules souches qui accomplissent ces tâches et bien d'autres en permanence, permettant à vos systèmes internes de fonctionner au maximum de leur potentiel. Les cellules souches sont un domaine de la recherche médicale en développement rapide, et leurs capacités à traiter différentes maladies progressent rapidement. Les scientifiques les utilisent pour traiter certains cancers et maladies neurologiques;et elles ont même la possibilité de guérir la cécité. Les cellules souches servent déjà à sauver des vies, et elles ont le potentiel d’en sauver beaucoup d’autres.

Chaque organisme vivant possède de nombreuses cellules spécialisées différentes. Ce sont des cellules qui ont un rôle ou une fonction spécifique à accomplir, et qui doivent donc avoir une structure particulière adaptée à cette fonction. Par exemple, la fonction d’un globule blanc phagocytaire, appelé macrophage, est de détruire des microbes pathogènes à l’aide d’enzymes. Ces cellules se sont adaptées en obtenant de nombreux organites lysosomes qui libèrent ces enzymes afin de détruire l'intrus pathogène, comme le montre la figure 1.

Définition: Spécialisé

Une cellule spécialisée est une cellule qui s’est différenciée pour avoir une structure particulière lui permettant de remplir sa fonction spécifique.

Définition: Non spécialisé

Une cellule non spécialisée est une cellule issue de la mitose ou de la méiose qui ne s'est pas encore différenciée.

Définition: Différenciation

La différenciation est le processus par lequel une cellule se spécialise par l’expression sélective de certains gènes.

Définition: Cellule souche

Une cellule souche est une cellule non spécialisée qui peut se différencier en tout type de cellule spécialisée.

Lorsque vous n'étiez qu'un petit paquet de cellules, il n'y avait pas encore de macrophages dans votre organisme. Elles se sont toutes spécialisées, ou différenciées, à partir d’une cellule mère non spécialisée. Ces cellules non spécialisées sont appelées cellules souches, et certaines ont la capacité de devenir n'importe quel type de cellule spécialisée:cardiaque, musculaire, nerveuse, cutanée, rétinienne, hépatique, et plus de 200 autres types différents qui existent dans tout le corps humain!

Les cellules souches qui ont la capacité de se différencier en tous les types de cellules de l’organisme sont dites pluripotentes, tandis que les cellules souches qui peuvent se différencier en un nombre plus limité de cellules sont dites multipotentes. La cellule souche hématopoïétique (sanguine) représentée dans la figure 2 est multipotente et vous pouvez voir les différentes cellules spécialisées qui en dérivent, y compris le macrophage dont nous avons discuté plus tôt.

Exemple 1: Différencier entre les cellules souches et les cellules corporelles normales

Quelle est la différence clé entre une cellule souche et une cellule corporelle normale (somatique)?

  1. Les cellules somatiques contiennent du matériel génétique, tandis que les cellules souches n’en contiennent pas.
  2. Les cellules souches peuvent se diviser et se répliquer, tandis que les cellules somatiques ne le peuvent pas.
  3. Les cellules souches ne se trouvent que chez les embryons, tandis que les cellules somatiques ne se trouvent que chez les adultes.
  4. Les cellules somatiques sont spécialisées dans une fonction particulière, alors que les cellules souches ne sont pas spécialisées.
  5. Les cellules souches sont spécialisées dans une fonction particulière, alors que les cellules somatiques ne sont pas spécialisées.

Réponse

Toutes les cellules souches sont des cellules non spécialisées qui peuvent se différencier en différents types de cellules spécialisées. Une cellule somatique se différencie généralement en une cellule spécialisée, soit en changeant sa forme, soit en modifiant la proportion des différents organites qu'elle contient.

Les cellules souches et les cellules somatiques contiennent toutes du matériel génétique, ce qui élimine l’option A. Les cellules somatiques et les cellules souches peuvent se diviser et se répliquer, bien que les cellules souches puissent le faire plus facilement. Cela signifie que l’option B est également incorrecte. Non seulement les embryons contiennent des cellules souches, mais selon leur stade de développement, ils peuvent aussi contenir des cellules corporelles normales. Les adultes contiennent également des cellules somatiques, ainsi que des cellules souches, bien qu’elles se trouvent à moins d’endroits et en plus petites quantités que chez les embryons, donc l’option C est incorrecte.

Notre bonne réponse est donc D:les cellules somatiques sont spécialisées dans une fonction particulière, alors que les cellules souches ne sont pas spécialisées.

Les cellules souches sont présentes chez les plantes et les animaux. Chez les plantes, les cellules souches se trouvent généralement dans des régions en croissance constante appelées méristème, telles que le bout des racines et des pousses, comme le montre la figure 3 ci-dessous. Ces cellules souches sont appelées cellules du méristème, et elles peuvent se différencier en n’importe quelle cellule spécialisée pour former n’importe quel tissu ou organe dans la plante.

Définition: Méristème

Un méristème est un type de tissu situé dans des régions de croissance telles que la racine et l’extrémité des pousses chez les plantes contenant des cellules souches méristématiques.

Exemple 2: Localiser les cellules souches dans les plantes

Où trouve-t-on les cellules souches dans les plantes?

  1. dans les poils racinaires
  2. dans les cellules palissadiques
  3. dans le pollen
  4. dans le méristème
  5. dans les chloroplastes

Réponse

Les cellules souches sont toutes des cellules non spécialisées qui peuvent se différencier en différents types de cellules spécialisées. Chez les plantes, les cellules souches se trouvent dans les régions en croissance constante de la plante, telles que les extrémités des pousses et des racines. Ces zones sont appelées régions méristématiques et contiennent des tissus du méristème, qui sont constitués de cellules du méristème.

Les poils racinaires, les cellules palissadiques et le pollen sont toutes des cellules spécialisées. Les cellules des poils racinaires sont spécialisées dans l’absorbance de l’eau du sol et les cellules palissadiques dans l’absorbance maximale de l’énergie solaire, et le pollen est une cellule sexuelle haploïde appelée gamète, adaptée spécifiquement à la fécondation du gamète féminin. Un chloroplaste n’est pas une cellule en soi mais un organite situé dans les cellules, spécialisé pour absorber la lumière du Soleil.

Le bon emplacement des cellules souches dans les plantes est D:dans le méristème.

Les cellules souches humaines se trouvent aussi bien dans les embryons que chez les adultes. Elles peuvent également se trouver dans le cordon ombilical, qui relie l'embryon à la mère avant d’être retiré après la naissance. Les cellules souches embryonnaires apparaissent lorsque l'embryon a 3–5 jours, jusqu’à la fin du stade blastocyste, comme le montre la figure 4.

Mot Clé: Embryon

L'embryon est le premier stade de développement d'un animal lorsqu’il se trouve dans l'œuf ou l'utérus de sa mère.

Les cellules souches embryonnaires ont la capacité de se différencier en tout type de cellule spécialisée et même de former de nouveaux organismes. C’est pourquoi l'embryon formera deux jumeaux identiques s’il se divise avant d’atteindre le stade de développement blastocyste.

En raison de leur capacité à générer n’importe quel type de tissu, la recherche médicale s’est beaucoup interessée aux cellules souches embryonnaires. Par exemple, pour des études sur des animaux, les cellules souches peuvent être obtenues à partir d’embryons de souris produits par fécondation in vitro (FIV). La FIV est une forme de fécondation dans laquelle les œufs sont fécondés par des spermatozoïdes « in vitro », c’est-à-dire dans du verre, qui fait référence à la boîte de Pétri de laboratoire. La FIV est une technique très efficace produisant beaucoup d’embryons qui peuvent être conservés pendant plusieurs années dans des congélateurs ultra-froids.

Mots clés: Fécondation In Vitro

La fécondation in vitro (FIV) se produit lorsqu’un œuf est fécondé par un spermatozoïde dans une boîte de Pétri au sein d’un laboratoire, généralement pour permettre à des parents de se reproduire lorsqu’ils n’en sont pas capables par eux mêmes.

L’utilisation de cellules souches embryonnaires humaines pour la recherche pourrait également faire progresser la médecine moderne, mais c’est un sujet très controversé qui soulève un certain nombre de questions éthiques dont nous discuterons plus loin dans cette fiche explicative.

Les cellules souches adultes sont présentes dans de nombreux tissus de l’organisme, dont la moelle osseuse, le cerveau, le foie et les vaisseaux sanguins. À la différence des cellules souches embryonnaires qui sont pluripotentes, les cellules souches adultes sont multipotentes:elles ne peuvent pas former tous les types cellulaires. Par exemple, notre cellule souche hématopoïétique de la figure 2, qui se trouve dans la moelle osseuse et les vaisseaux sanguins, peut devenir n’importe quel type de cellules sanguines, mais elle ne peut pas se différencier en une cellule cérébrale. Cela limite leur fonction dans différents traitements médicaux, mais elles sont tout de même utiles pour la thérapie ciblée par cellules souches.

Depuis 2005, les scientifiques ont développé de nouvelles façons d’obtenir des cellules souches humaines à partir de cellules corporelles, sans avoir besoin de cellules souches embryonnaires et en surpassant les limites des cellules souches adultes. Les protéines spécifiques appelées facteurs de transcription peuvent amener une cellule corporelle adulte à se reprogrammer en une cellule souche ayant des propriétés très semblables à une cellule souche embryonnaire. Ces cellules sont appelées cellules souches pluripotentes induites (iPSC en anglais). Cette découverte, qui a reçu un prix Nobel en 2012, a révolutionné le domaine biomédicale car elle représente un outil très prometteur en médecine.

Les personnes dont le système immunitaire est compromis, qui souffrent par exemple de leucémie (un type de cancer qui affecte les globules blancs), peuvent recevoir des cellules souches par injection. Ces cellules souches pourraient provenir de sang ou d’une extraction volontaire de moelle osseuse chez l’adulte. Cependant, ces méthodes ont également des inconvénients, car les procédures telles que l’extraction de la moelle osseuse sont douloureuses et la réception de la greffe présente ses propres risques et effets secondaires. Bientôt, l’iPSC fabriqué à partir de cellules de peau de patients pourrait être une solution très efficace.

Exemple 3: Décrire la différence entre les cellules souches embryonnaires et adultes

Quelle est la principale différence entre les cellules souches embryonnaires et adultes?

  1. Les cellules souches adultes peuvent se différencier en n’importe quel type de cellule spécialisée, mais les cellules souches embryonnaires ne peuvent devenir que certains types de cellules.
  2. Les cellules souches adultes peuvent facilement se cultiver en grande quantité, mais les cellules souches embryonnaires ne peuvent se diviser qu'à l'intérieur de l'embryon.
  3. Les cellules souches embryonnaires peuvent se différencier en n’importe quel type de cellule spécialisée, mais les cellules souches adultes ne peuvent devenir que certains types de cellules.
  4. Les cellules souches adultes peuvent se diviser rapidement pour former de nouvelles cellules, mais les cellules souches embryonnaires mettent beaucoup de temps à se diviser pour générer de nouvelles cellules.
  5. Elles ne diffèrent par aucune de leurs propriétés.

Réponse

Toutes les cellules souches sont des cellules non spécialisées qui peuvent se différencier en différents types de cellules spécialisées.

Les cellules souches embryonnaires sont « moins » spécialisées que les cellules souches adultes, car il y a si peu de cellules à ce stade de développement qu’aucune d’entre elles n’a commencé à se différencier. Les cellules souches embryonnaires sont dites pluripotentes car elles ont la capacité de devenir n’importe quelle cellule corporelle.

Les cellules souches adultes sont dites multipotentes car les types cellulaires qu’elles peuvent devenir sont plus limités que ceux des cellules souches embryonnaires pluripotentes. Par exemple, une cellule souche hématopoïétique dans la moelle osseuse peut devenir n’importe quel type de cellule sanguine, mais elle ne peut pas devenir une cellule cérébrale. Cela signifie que les cellules souches embryonnaires pourraient être stimulées pour devenir n’importe quelle cellule spécialisée, tandis que les cellules souches adultes sont limitées à certains groupes de cellules.

Les cellules souches embryonnaires sont également capables de se diviser de manière presque illimitée, alors que les cellules souches adultes ne se divisent pas aussi souvent. Il n'y a cependant pas une énorme différence dans le temps qu'elles mettent à se diviser physiquement, et ce n'est pas la principale différence entre les deux types de cellules souches, ce qui élimine les options B et D.

Notre réponse correcte est donc C:les cellules souches embryonnaires peuvent se différencier pour devenir n’importe quel type de cellule spécialisée, mais les cellules souches adultes ne peuvent devenir que certains types de cellules.

Les cellules souches ont un potentiel presque illimité dans le traitement des maladies. Actuellement, les cellules souches sont utilisées à la fois pour être différenciées en cellules spécifiques, telles que les cellules rétiniennes pour traiter la perte de vision, ou pour développer des organes destinés à la greffe. De nombreuses maladies détruisent les cellules;par exemple, les crises cardiaques bloquent le flux sanguin vers le cœur, ce qui tue les cellules cardiaques. Comme les cellules cardiaques ont du mal à se régénérer rapidement, la seule option de guérison est souvent une transplantation cardiaque, qui est très demandée.

Les cellules souches offrent une solution alternative, car elles peuvent être stimulées pour se différencier en cellules cardiaques afin de reconstruire le tissu endommagé du cœur. Cela n’a pas encore été testé sur l’Homme, mais des études ont montré qu’elles étaient efficaces chez la souris. Les études sur des rongeurs ont également donné des résultats prometteurs dans le traitement des maladies neuronales telles que les lésions de la colonne vertébrale ou la maladie de Parkinson, pour lesquelles il n’existe actuellement aucun autre traitement puisque les greffes cérébrales ne sont pas possibles.

D’autres domaines de recherche sur les cellules souches incluent le développement de cellules souches du pancréas pour traiter le diabète, les cellules souches sanguines pour le cancer, les cellules souches des muscles squelettiques pour la dystrophie musculaire et bien d’autres. Certaines utilisations potentielles des cellules souches pour réparer divers organes sont illustrées dans la figure 5.

Un autre exemple d’utilisation des cellules souches est pour le traitement de patients qui ont effectué la chimiothérapie contre le cancer. Dans la chimiothérapie, on tente de cibler et de détruire les cellules cancéreuses, mais de nombreuses cellules saines sont également endommagées. Les cellules souches sont capables de remplacer ces cellules, car elles peuvent être stimulées pour se différencier en cellules spécifiques qui ont été endommagées. Un autre avantage majeur des cellules souches, en particulier les cellules iPS, est qu’elles peuvent provenir de cellules de notre propre organisme pour fabriquer de nouveaux organes ou de nouveaux tissus. De cette façon, notre système immunitaire ne les rejettera pas après la greffe, comme cela aurait été le cas avec des organes ou des cellules souches d’autres donneurs.

Exemple 4: Décrire les utilisations des cellules souches

La dégénérescence maculaire se produit lorsque les cellules photosensibles au centre de votre œil cessent de fonctionner. Laquelle des réponses suivantes explique le mieux comment les cellules souches pourraient traiter une personne atteinte de dégénérescence maculaire?

  1. Les cellules souches peuvent être insérées dans l’oeil pour réparer les cellules endommagées.
  2. Les cellules souches peuvent être utilisées pour créer un globe oculaire entier et remplacer l’oeil d’une personne atteinte de cette maladie.
  3. Les cellules souches peuvent stimuler la réponse immunitaire pour réparer les cellules endommagées.
  4. Les cellules souches ne peuvent pas être utilisées pour traiter cette maladie.
  5. Les cellules souches peuvent être stimulées pour se différencier en cellules photosensibles afin de remplacer les cellules endommagées.

Réponse

Faites attention aux questions demandant la « meilleure » explication, car bien qu'elles soient à choix multiples, elles ne sont pas évidentes car plus d'une réponse peuvent sembler techniquement correctes.

Les cellules souches sont des cellules non spécialisées, qui ont le potentiel de se différencier en tout type de cellule spécialisée. En médecine, elles servent généralement à cibler un type de cellule spécifique qui a été endommagé ou détruit par une maladie. Les cellules souches seront stimulées pour se différencier en cette cellule particulière et seront insérées dans la zone endommagée afin de remplacer les cellules non fonctionnelles.

Dans cet exemple, les cellules endommagées sont les cellules photosensibles de l’oeil. Les cellules ne seront pas elles-mêmes réparées par des cellules souches, et le globe oculaire entier ne sera pas remplacé, car il s'agirait d'un processus long et difficile impliquant une opération risquée de greffe oculaire. Les cellules souches peuvent cependant être stimulées pour se différencier dans le type de cellule endommagé pour remplacer les cellules par une procédure plus sûre.

Notre réponse correcte est donc E:les cellules souches peuvent être stimulées pour se différencier en cellules photosensibles afin de remplacer les cellules endommagées.

Afin d’améliorer l’efficacité des cellules souches en médecine, une technique appelée fractionnement cellulaire peut être utilisée pour séparer les constituants d’une cellule. Pour que le traitement soit plus efficace, les cellules souches qui sont plus adaptées à certains traitements peuvent alors être séparées des cellules souches moins utiles. Chaque cellule souche aura une densité différente due à des proportions d’organites différentes. Le fractionnement cellulaire consiste à faire tourner les cellules à grande vitesse dans un processus appelé centrifugation.

Le schéma de la figure 6 ci-dessous montre comment la centrifugation peut séparer les cellules souches des autres cellules de la moelle osseuse afin de traiter une blessure sportive à la rotule (patella).

Nous savons qu’en médecine, l’utilisation de cellules souches humaines, en particulier des cellules souches embryonnaires, est un sujet controversé. Adressons quelques arguments dans le tableau 1, qui sont favorables ou défavorables à l’utilisation des cellules souches en médecine et en recherche.

Il peut être utile de dissocier les arguments en questions éthiques, scientifiques et sociales.

Un argument éthique dans la recherche médicale est tout ce qui concerne les règles de conduite sociétales de l’utilisation des cellules souches, en particulier des cellules souches embryonnaires, comme le débat sur le moment où un embryon est considéré comme une personne. Alors que certaines personnes pensent que l’embryon est considéré comme une personne à partir du moment où il est conçu, d’autres estiment qu’il le devient lorsque l’embryon développe plus de caractéristiques « humaines », comme la première fois qu’il se déplace dans l’utérus ou que son cœur bat.

Un argument scientifique désigne les opportunités ou les défis que présente l’utilisation de tous les types de cellules souches en recherche et en médecine pour développer des pratiques plus sophistiquées et plus efficaces, telles que guérir des maladies qui étaient auparavant non traitables. Il peut également formuler des défis pour la recherche scientifique, car les cellules souches peuvent développer des mutations qui les rendent moins faciles à utiliser en recherche.

Enfin, un argument social se réfère à tout ce qui concerne la société et les personnes qui la composent et qui n’est ni éthique ni scientifique. Par exemple, un argument social contre l’utilisation de cellules souches embryonnaires pourrait être que les traitements utilisant des cellules souches sont coûteux et peuvent donc ne pas être accessibles à tous ceux qui en ont besoin.

Le tableau 1 ci-dessous compare les différents arguments pour et contre l’utilisation des cellules souches en médecine et en recherche, classés comme étant éthiques (jaunes), scientifiques (bleus) ou sociaux (verts).

Il est important de rappeler que certains de ces arguments peuvent appartenir à plusieurs classes. Par exemple, sauver des vies humaines est dans l’intérêt des arguments éthiques, scientifiques et sociaux!

Exemple 5: Évaluer l’utilisation des cellules souches embryonnaires

Les cellules souches sont des cellules non spécialisées qui peuvent se différencier en différents types de cellules de l’organisme humain;ce qui leur permet de traiter des maladies en médecine. Cependant, l’utilisation de cellules souches est confrontée à de nombreuses oppositions. Lequel des énoncés suivants pourrait représenter une objection scientifique à l’utilisation de cellules souches en médecine?

  1. Les cellules souches pourraient muter dans l’organisme hôte et conduire à des maladies comme le cancer.
  2. Les cellules souches ne peuvent pas être prélevées sur des volontaires adultes consentants.
  3. Les cellules souches ne peuvent être utilisées que pour traiter des maladies génétiques, mais pas des blessures ou des maladies acquises.
  4. Les cellules souches peuvent être utilisées pour créer de grandes quantités de tissu ou même de nouveaux organes.
  5. Les embryons sont créés uniquement dans le but de prélever des cellules souches embryonnaires.

Réponse

La question nous demande d’identifier une objection scientifique à l’utilisation de cellules souches en médecine.

Un argument scientifique se réfère à la capacité des cellules souches d’être utilisées en recherche et en médecine pour développer des pratiques plus sophistiquées et plus efficaces, telles que le traitement de maladies auparavant impossibles à soigner. Il peut également soulever des défis pour la recherche scientifique, tels que le développement de mutations dans les cellules souches, qui les rendent moins faciles à utiliser en recherche. Une objection scientifique pourrait être que ces mutations sont capables d’être à l’origine de maladies comme le cancer.

Un argument éthique dans la recherche médicale est tout ce qui concerne les règles de conduite sociales de l'utilisation des cellules souches embryonnaires, comme le débat sur le moment où un embryon est considéré comme un être vivant. Alors que certaines personnes pensent que l’embryon est considéré comme une personne à partir du moment où il est conçu, d’autres estiment qu’il le devient lorsque l’embryon développe plus de caractéristiques « humaines », comme la première fois qu’il se déplace dans l’utérus ou que son cœur bat.

Enfin, un argument social se réfère à tout ce qui concerne la société et les personnes qui la composent et qui n’est ni éthique ni scientifique. Par exemple, un argument social contre l’utilisation de cellules souches embryonnaires pourrait être que les traitements utilisant des cellules souches sont coûteux et peuvent donc ne pas être accessibles à tous ceux qui en ont besoin.

Supprimons certaines des options de la question qui sont incorrectes avant de choisir celle qui est une objection scientifique.

Les cellules souches peuvent être prélevées sur des volontaires adultes consentants, donc l’option indiquant le contraire est incorrecte, et même si c’était le cas ce serait une objection éthique, et non scientifique.

Les cellules souches peuvent être utilisées pour traiter certaines blessures et maladies acquises, en remplaçant des cellules mortes, endommagées ou défectueuses, donc l’option indiquant qu’elles ne peuvent traiter que des maladies génétiques est également fausse.

L’option se référant à l’utilisation de cellules souches pour produire de grandes quantités de tissu ou de nouveaux organes représente en réalité un avantage des cellules souches, plutôt qu’une objection scientifique.

Souvent, les embryons « de réserve » ou « rejettés » sont à l’origine destinés à la FIV pour permettre à une personne d’avoir un enfant. En effet, les embryons ne sont pas créés exprès pour le traitement des cellules souches;l’option qui dit autrement est donc incorrecte.

Par conséquent, l’option qui constitue une objection scientifique à l’utilisation de cellules souches est A:les cellules souches pourraient muter dans l’organisme hôte et conduire à des maladies telles que le cancer.

Récapitulons certains des points clés que nous avons abordés dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Les cellules souches sont des cellules non spécialisées qui peuvent être utilisées en médecine pour remplacer des cellules endommagées ou même redévelopper des organes entiers.
  • Les cellules souches chez l’Homme sont des cellules souches embryonnaires ou adultes provenant de la moelle osseuse et d’autres organes.
  • Les cellules souches chez les plantes sont appelées cellules du méristème et se trouvent dans les zones de la plante qui sont en croissance constante.
  • Les cellules souches, en particulier les cellules souches embryonnaires, dans la recherche et la médecine sont un sujet controversé, avec des arguments éthiques, scientifiques et sociaux qui soutiennent ou s'opposent à leur utilisation.
  • Les cellules souches pluripotentes induites sont une nouvelle source révolutionnaire de cellules souches humaines qui nous permettent de surpasser de nombreux problèmes soulevés par les cellules souches embryonnaires et adultes.

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