Stepwise direct reprogramming of adult human dermal fibroblasts into tendon-like cells via transcription factor optimization and 3D culture

Dans le monde de la chirurgie pédiatrique, réparer un trou dans le diaphragme — le muscle qui sépare la poitrine de l'abdomen et nous aide à respirer — est un défi à enjeux élevés. Lorsque le défaut est trop important pour être simplement recousu, les chirurgiens comptent souvent sur des patchs synthétiques fabriqués à partir de matériaux tels que le polytétrafluoroéthylène expansé. Bien que ces feuilles artificielles puissent maintenir le corps ensemble à court terme, elles présentent une faille critique : elles sont de la matière morte. Elles ne peuvent pas croître, elles ne s'adaptent pas à l'expansion du corps d'un enfant, et elles comportent des risques d'infection ou de calcification au fil du temps. L'objectif ultime des médecins est de remplacer ces patchs statiques par un tissu vivant que le corps d'un enfant peut accepter et qui grandira en même temps que lui. Pour y parvenir, les scientifiques explorent une méthode appelée reprogrammation directe. Ce processus consiste à prendre une cellule mature et spécialisée d'une partie du corps et à lui donner un nouvel ensemble d'instructions pour la transformer en un type de cellule entièrement différent, en évitant l'étape de la création de cellules souches. La question que les chercheurs se posent est de savoir s'ils peuvent transformer une cellule cutanée commune en une cellule de tendon, un composant crucial du diaphragme, afin de construire une réparation vivante et évolutive.

Une équipe de chercheurs de l'Université de médecine de la préfecture de Kyoto s'est donné pour mission de répondre à cette question en tentant de transformer des cellules cutanées humaines adultes en cellules de type tendon. Ils ont commencé avec des fibroblastes dermiques humains adultes, qui sont les cellules de base trouvées dans la peau, produisant du collagène et maintenant la structure des tissus. Ces cellules sont abondantes et faciles à obtenir auprès d'un patient, ce qui en fait un point de départ idéal. Les scientifiques ont introduit un groupe spécifique de gènes dans ces cellules cutanées à l'aide d'un virus inoffensif. Ces gènes agissent comme des interrupteurs maîtres, ou facteurs de transcription, qui indiquent à la cellule quels protéines fabriquer et quel travail accomplir. Initialement, l'équipe a testé une combinaison de six facteurs différents, incluant certains connus pour stimuler le développement des tendons et d'autres utilisés pour rendre les cellules plus flexibles et prêtes à changer. Ils voulaient voir si ce cocktail pouvait forcer les cellules cutanées à oublier leur identité d'origine et adopter les caractéristiques d'un ténoblaste, une cellule qui construit et maintient les tendons.

L'expérience a montré que la combinaison de six facteurs fonctionnait. Les cellules cutanées ont commencé à produire des niveaux élevés de tenomoduline et de thrombospondine-4, deux protéines qui servent de marqueurs clairs pour les cellules de tendon. Lorsque les chercheurs ont observé les cellules sous un microscope, ils ont constaté une transformation physique. Les cellules cutanées d'origine étaient courtes et en forme de fuseau, mais les cellules reprogrammées se sont étirées, devenant longues et fines, ressemblant aux fibres d'un véritable tendon. Pour s'assurer que ces nouvelles cellules étaient stables, l'équipe les a placées sous la peau de souris. En l'espace d'une semaine, les cellules avaient survécu et formé de petits amas dans le greffon, prouvant que les cellules reprogrammées pouvaient persister dans un corps vivant sans mourir immédiatement ou provoquer d'inflammation. Ce succès initial a confirmé que le concept était viable, mais l'équipe savait que l'utilisation de six facteurs était plus complexe que nécessaire. Ils voulaient trouver la recette la plus simple et la plus efficace pour obtenir le même résultat.

Par un processus d'élimination, les chercheurs ont testé différentes combinaisons de facteurs pour trouver l'ensemble minimal requis. Ils ont découvert que quatre facteurs étaient suffisants : SCX, MKX, OCT3/4 et MYCL. L'étude a révélé que chacun de ces facteurs jouait un rôle distinct dans la transformation. Un facteur, OCT3/4, était essentiel pour activer le gène de la tenomoduline, tandis qu'un autre, SCX, était le principal moteur de la production de thrombospondine-4. Les deux autres facteurs permettaient au processus de se dérouler de manière fluide et efficace. Cette découverte était significative car elle simplifiait la procédure, réduisant le nombre d'instructions génétiques nécessaires pour créer le type de cellule souhaité. Les chercheurs ont nommé ces cellules converties avec succès « ténoblastes directement convertis ». Ils ont confirmé que ces cellules ressemblaient à des cellules de tendon et produisaient les bonnes protéines, bien qu'elles aient commencé sous forme de cellules cutanées.

L'équipe a ensuite étudié si l'environnement dans lequel les cellules croissaient pouvait améliorer leur développement. Les cellules cultivées dans une boîte plate, connue sous le nom de culture bidimensionnelle, ont donné de bons résultats, mais les chercheurs se demandaient si un environnement tridimensionnel plus naturel aiderait. Ils ont incorporé certaines des cellules converties dans un gel fait de collagène, un matériau qui imite l'échafaudage naturel du corps. Ils ont découvert que le transfert des cellules dans ce gel tridimensionnel après qu'elles ont déjà passé un certain temps dans la boîte plate augmentait davantage l'expression des marqueurs de tendon. Plus précisément, les cellules transférées dans le gel plus tard dans le processus présentaient les niveaux les plus élevés des protéines clés. Cela suggérait que les cellules avaient besoin d'établir leur nouvelle identité dans un environnement simple avant que la structure tridimensionnelle complexe ne puisse les aider à mûrir davantage.

Bien que les résultats soient prometteurs, les chercheurs ont pris soin de noter les limites de leurs travaux actuels. Ils avaient réussi à créer des cellules qui ressemblaient et agissaient comme des cellules de tendon dans une boîte et qui avaient survécu pendant un court instant chez la souris, mais ils n'avaient pas encore testé si ces cellules pouvaient résister au stress physique d'un véritable tendon ou si elles pouvaient s'intégrer pleinement dans un corps en croissance sur le long terme. L'étude n'a pas mesuré la force du nouveau tissu ni la manière dont il fonctionnerait chez un patient humain. Cependant, ce travail a fourni une voie claire et étape par étape pour la suite. En identifiant les quatre facteurs spécifiques nécessaires et la meilleure façon de cultiver les cellules, l'équipe a jeté les bases de la création de tissu tendineux spécifique au patient. Cette approche pourrait éventuellement mener au développement de patchs vivants et évolutifs pour les enfants souffrant de hernies diaphragmatiques, offrant une solution qui s'adapte et grandit avec le patient plutôt que de rester un objet étranger et statique.