CSH - kobe.fr

Les cellules Souches et Leurs Niches
en Hématologie
M.C. le Bousse-Kerdilès
Inserm U972, Villejuif - France
Cellule souche/Stammzelle
1868: Terme utilisé par le biologiste allemand
Ernest Haeckel pour définir l’ancêtre unicellulaire
des organismes multicellulaires et pour nommer l’œuf
fertilisé à l’origine de toutes les cellules de l’organisme
1885: Ultérieurement emprunté par le zoologiste August
Weismann pour identifier une cellule de l’embryon capable
de donner naissance à des cellules plus spécialisées
1905: Utilisé par l’hématologiste Arthur Pappenheim pour
nommer la cellule à l’origine des cellules du sang
(Ramalho-Santos et al., Cell Stem Cell 1, 2007)
Définition canonique des cellules souches
1) Indifférenciées
Autorenouvellement
2) Capacité
- Autorenouvellement
- Différentiation
Différenciation
Hiérarchie des cellules souches
Oocyte
Morula
Blastocyst Embryo
Children
Fetus
Adult
Aged
Birth
Totipotent
stem cells
Embryonic
stem cells
Totipotents
Pluripotents
Capable to generate
embryonic and extra
embryonic cell types
(Ex: fertilized egg)
Can differentiate into cells
derived from any of the
three germ layers
(Ex: ES cell lines)
Placental
& Cord blood
stem cells
Adult stem cells
Multi- , Oligo- or Uni- potents
iPS cell lines
Loss of pluripotency and proliferative capacity
Can differentiate into several, a few or
only one specialized cell types of a tissue
(Ex: HSC)
Reprogramming somatic cells
to a pluripotent state
CSH/CD34+
<< 0.01%
1%
99%
Moelle osseuse
(Quiescente)
Sang
Differentiation
Proliferation
La cellule souche hématopoïétique;
archétype de la cellule souche multipotente
La souchitude; une propriété cachée !
Marqueurs de
fonctionnalité
SP
Hoechst
Pyronine Y
Rhodamine
KI67
Iodure
de propidium
ALDH
NOD/SCID
Téloméres
Human
CSH/PH
Tie-2
CD34
Gata 2
CD133
Marqueurs
phénotypiques
Marqueurs du
cycle cellulaire
CD90
CD38
Runx1
Notch
CD117
Oct-4
Marqueurs
moléculaires
Régulation de l’hématopoïèse
Récepteurs
Cytokines
Chimiokines
Cellule endothéliale
CSH/CD34+
Facteurs de
transcription
Signaux de
transduction
Matrice
extracellulaire
(GAG…)
Récepteurs
de la MEC
Molécules
d'adhérence
Cellules stromales
L’os et la moelle osseuse
Vascular sinus
Niches hématopoïétiques médullaires
Chimiokines
O2
Niche vasculaire
(SDF-1, Il-8..)
Neurones
CAR cells
Cytokines
(Tpo, SCF, HGF, FGF4…)
ESC
MSC
Ostéoclastes
ECM
Protéases
(MMP9, CTK…)
Ca++
VCAM-1/VLA-4
Ang-1/Tie2
Wnt/Beta-Catenin
Jagged-1/Notch..
(OPN, GAG, Agrine..)
HSC
G1
G0
(Calvi et al., Nature, 2003 ; Kiel et al., Cell, 2005 ; Nature 2008 & 2010)
Ostéoblastes
(N-Cad+/OPN+)
Fibroblastes
Adipocytes
Niche endostéale
Une niche endostéale
pour les CSH…
Spindle-shaped N-cadherin
Osteoblast (SNO)
(Wilson A et al.; Genes Dev. 2004; 18(22):2747-63 and Nature Review Immunol; Calvi et al; Nature 2003;
Zang et al; Nature 2003; Il-Hoan Oh et al. Stem Cells 2010, Adam G & Scadden D; Nature Imunol., 2006;
Scadden D; Best Pract. & Research Clin. Hematol, 2007; Essers MA & Trumpp A; Mol. Oncol. 2010)
Rôle des ostéoblastes dans la
régulation des CSH
Adhésion
- N-Cadhérine/N-Cadhérine
- Molécules d’adhérence
Quiescence/Survie
- Ang 1/Tie2
- Wnt/Frizzled/β-Caténine
- Jagged-1/Notch
Prolifération/Diff.
- BMP/BMPR
- Ca++/CaR
(Adam G & Scadden D; Nature Imunol., 2006; Scadden D; Best Pract. & Research Clin. Hematol,
2007; Essers MA & Trumpp A; Mol. Oncol. 2010)
Rôle des interactions ostéoblaste-ostéoclaste
et du SNS dans la mobilisation des CSH
Rôle des signaux Noradrénergiques
du système nerveux sympathique et
du rythme circadien
Association étroite entre CSM Nestine+
et fibres catécholaminergiques/adrénergiques
(Kollet O et al; Nature Medicine. 2006, 12 (6), 657-664; Purton L.E. & Scadden D, Nature
Medicine. 2006, 12 (6), 610-611; Katayama Y et al; Cell, 2006, 124, 407-421; Spiegel et al;
Cell Stem Cell 2008, Mendez-Ferrer et al; Nature 2008 & 2010)
L’os, un organe très vascularisé
CD31 (endothéliale)
GFP (ostéoblaste)
(Lo Celso et al; Nature 2008; Xie et al; Nature 2008)
Une niche vasculaire pour les CSH…
les CSH murines expriment un
profil SLAM (Signaling Lymphocyte
Activation Molecule) spécifique:
CD150+CD48-CD244-
MECA-32/CD150
CD41-CD48-Lin-
DAPI/CD150
CD41-CD48-Lin-
Chez la souris, les cellules CD150+CD48−CD41−Lin−
- représentent 0.0067% ± 0.0016% des cellules médullaires
- 14% et 60% sont respectivement en contact avec
l’endostéum et l’endothélium
- N’expriment pas la N-cadhérine
(Kiel et al. Cell, 2005; Lo Celso et al; Nature 2008; Lassailly et al, 2010,
Gillette et al., 2009 ; Winkler et al, Blood 2010)
Rôle de la niche vasculaire dans
la différenciation et la mobilisation des CSH
Cytokines/Chimiokines
Intégrines
Niche
Vasculaire
MK polyploïdes
Niche
Endostéale
Avecilla S et al; Nature Medicine, 2004, 10, 64-71
Kopp H. et al; Physiology , 2005, 20, 349-56
Coultas L. et al. Nature 2005, 438, 937-45
Zou et al., Blood 2009
Rôle des cellules endothéliales
dans l’autorenouvellement des CSH
(Butler et al. Cell Stem Cell. 2010)
Rôle du gradient en O2
et du flux sanguin
-
Cellules SP
Gradient en oxygène
+
+
Gradient de CSH -
 Les CSH/SP expriment le marqueur
d’hypoxie (Pimonidazole)
 Les CSH les plus quiescentes résident
dans les zones où la teneur en O2 et le
flux sanguin sont les plus faibles
 La quiescence des CSH est régulée
par le niveau de HIF-1α
(Parmar K et al., PNAS, 2007; Winkler et al, Blood 2010; Takubo et al, Cell Stem Cell 2011 )
To stay or not to
stay a stem cell in
my niche…
and in which niche?
Une ou plusieurs niches?
Rôle réunificateur
des CSM Nestine+ et
des macrophages
Endosteal Niche
(Kiel & Morrison, 2008; Winkler et al, 2010; Mendez-Ferrer et al 2010; Ehninger & Trumpp, 2011)
Perivascular Niche
Plusieurs situations…
Physiologie
Stress
Irradiation
( Xie et al., Nature 2008)
Niche endostéale
-
Niche vasculaire
+
Niche endostéale
Niche vasculaire
+
++
Quand les niches
s’affolent!
Normal
Vacance
Prolifération
Altération de la division/prolifération
des CSH conduisant au développement
de leucémies et SMP
(Scadden D.T. ; Nature 441, 1075-1079, 2006 Walkley et al; Cell 2007; Kim et al, Blood, 2008)
The “good seeds
in the bad soil”
concept
Normal
Chez la souris, une
altération des interactions
entre les CSH et leur(s)
niche(s) peut conduire au
développement
d’hémopathies (SMD,
SMP..)
Perte de Rb
(CSH et MIH)
Perte de Nf2
Perte de RARγ
(MIH)
Inact. de Notch
(Mib1) ou Wnt
(DKK1) (MIH)
SMD
Délétion de
Dicer1
(Ostéoprog.)
(Walkley et al. Cell 2007 a & b ; Kim et al. Blood 2008; Fleming et al. Cell Stem Cell 2008;
Larsson et al. Cell Stem Cell 2008; Raaijmakers et al. EHA, 2009)
(L. Coulombel; 2007 modifié )
Les niches hématopoïétiques ont-elles
un rôle dans le développement des
hémopathies chez l’homme?
Le paradigme
de la Myélofibrose Primitive,
un SMP associant une maladie clonale de
la CSH et une altération du
microenvironnement hématopoïétique
Critères diagnostiques
de la MyéloFibrose Primitive
* Myéloprolifération pan-myéloïde
- Splénomégalie et Hépatomégalie
- Erythromyélémie
- Plaquettes variables
* Lymphocytopénie
* Myélofibrose et ostéomyélosclérose
* Absence de marqueur caryotypique spécifique (Ph-); présence de la
mutation Jak2Val617F chez 50% des patients
* Maladie sporadique rare (1 cas/an/106 habitants) du sujet âgé
* Hémopathie fatale; médiane de survie de 2 à 5 ans par manque de
thérapeutique efficace
Physiopathologie de la Myélofibrose Primitive
Amplification clonale des PH CD34+ et des MK
Migration de la moelle vers la rate et le foie via le sang
CD34+
Myélofibrose
Ostéomyélosclérose
Fibroblastes/Ostéoblastes
PH et Cellules
hématopoiétiques (MK)
Neoangiogénèse
FC
PDGF, TGF-β,
bFGF, OPG, VEGF?
Cellules Endothéliales
The "Bad Seeds in Bad Soil" model
Myeloproliferation
Osteosclerosis
Ob
Molecular clonal event
Oc
(JAK2V617F, MPLW515, TET2.. ?)
Neoangiogenesis
CD34+
HSC
Receptors
JAK/STAT…
Ne
Mk
Cytokines
Stem cell
mobilisation
(Lataillade et al, Blood 2008)
Proteases
Myelofibrosis
Chemokines
Mo
Fb
Migration des cellules souches
de niches en niches ?
Aplasie
CSM
CSH
CSE
Moelle osseuse
Sang
CS Circulantes
Rate/foie
(Lataillade et al, Blood 2008, Ghinassi et al, J. cell. Physiol. 2010)
Splénomégalie
Hépatomégalie
Niches endostéales
et vasculaires
Cycle
Différentiation
Mobilisation
MOBILISATION
CSH, CSM, PEC
Niches Vasculaires
Nichage
Prolifération
Différentiation
Paramètres à prendre en compte dans la
modélisation de niches à cellules souches
Interactions
Cellules-Cellules
Cytokines
Chimiokines
Facteurs
Environmentaux
Molécules
Matricielles
Mécanotransduction
(Peerani R; JCI, 2010)
Contraintes
mécaniques
Interactions
Cellules-MEC
Modélisation 3D
des niches hématopoïètiques
Cellules stromales
Cellules endothéliales
CSH/PH…
Adipo (Dapi)
CSM (CFSE)
OB (CMRA)
Fonctionnalité
des
niches modélisées
Témoin
J3
Niche
“Cibler les CSH et leurs interactions avec
les niches hématopoïétiques »
Cellule
Endothéliale
Ostéoclaste
CSH
Cellules
Stromales
Ostéoblaste
Ca++
MEC
Hypoxie
(Lataillade et al, Blood 2008)
Cytokines
Chimiokines
Réseau Français (GEM)
INSERM U972
(Hôpital Paul Brousse,Villejuif,France)
Georges Uzan
Adrienne Anginot
Frédéric Torossian
Christophe Desterke
Bernadette Guerton
Denis Clay
Marie-Caroline Le Bousse-Kerdilès…
Merci !
CTS of Army
(Hôpital Percy,Clamart,France)
Jean-Jacques Lataillade
Marie Prat
Christophe Martinaud
Johanna Konopacki
Solène-Florence Jacquet…
Chrystèle Bilhou-Nabéra (K Bicêtre)
Dominique Bordessoule (Limoges)
Jean Brière (Paris)
Jean-Loup Demory (Lille)
Brigitte Dupriez (Lens)
Eric Lippert (Bordeaux)
Marie-Claire Martyré (Paris)
Vincent Praloran (Bordeaux)…
Réseau Européen (EUMNET)
Giovanni Barosi (Italy)
Francisco Cervantes (Spain)
GEM (France)
Heinz Gisslinger (Austria)
Martin Griesshammer (Germany)
Hans Hasselbalch (Denmark)
Rajko Kusec (Croatia)
Mats Merup (Sueden)
John Reilly (England)
Jurgen Thiele (Germany)…