Cultiver des cellules cardiaques juste pour vous

En regardant à travers un microscope à Madison, Wisconsin, j'ai regardé mes cellules cardiaques battre dans une boîte de Pétri. Ressemblant à des crevettes rouges brillantes sans queue, elles pulsaient et se déplaçaient très lentement l'une vers l'autre. Laissés pendant plusieurs heures, m'a-t-on dit, ces cardiomyocytes fusionneraient en gouttes essayant de former un cœur. À mes côtés se trouvaient des scientifiques qui avaient mené des expériences qui, espéraient-ils, révéleraient si mes cellules cardiaques sont en bonne santé, si elles sont exceptionnellement sensibles aux médicaments et si elles sont trop stressées lorsque je monte un escalier.

Il neigeait devant les fenêtres du parc de bureaux de Cellular Dynamics International (CDI), où j'observais une démonstration intime de la façon dont les technologies des cellules souches pourraient un jour se combiner avec la génomique personnelle et la médecine personnelle. J'ai été le premier journaliste à subir des expériences conçues pour voir si le processus vieux de quatre ans qui crée des cellules souches pluripotentes induites (iPS) peut donner un aperçu du fonctionnement et du devenir des cellules cardiaques d'un individu sain. Des tests similaires pourraient être effectués sur des cellules cérébrales et hépatiques cultivées en laboratoire, ou éventuellement sur l'un des plus de 200 types de cellules trouvés chez l'homme. C'est la prochaine étape de la médecine personnalisée : être capable de tester des médicaments et d'autres facteurs sur différents types de cellules, a déclaré Chris Parker, directeur commercial du CDI, en regardant par-dessus mon épaule.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2011

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Les scientifiques du CDI ont créé le petit morceau de mon cœur en prélevant des cellules de mon sang et en les reprogrammant pour qu'elles reviennent à un état pluripotent, ce qui signifie qu'elles sont capables de se développer en n'importe quel type de cellule dans le corps. La science qui rend cela possible vient du laboratoire du cofondateur du CDI et pionnier des cellules souches James Thomson de l'Université du Wisconsin, le chef de l'une des deux équipes qui ont découvert le processus iPS-cell en 2007. (L'autre effort a été dirigé par Shinya Yamanaka de l'Université de Kyoto.) Les résultats sont similaires aux cellules spéciales qui apparaissent dans les embryons quelques jours après la fécondation.

Depuis fin 2008, la société fabrique des cardiomyocytes et envoie les cellules congelées sur de la neige carbonique aux scientifiques universitaires pour étudier le fonctionnement de ces cellules, et aux chercheurs de l'industrie pharmaceutique pour les utiliser dans les premiers tests de candidats-médicaments. Une raison importante d'utiliser les cellules est qu'elles pourraient révéler si les médicaments sont toxiques pour le cœur, des informations que d'autres types de tests peuvent manquer. Plusieurs médicaments ont été mis sur le marché avec des profils cardiotoxiques, et c'est inacceptable, dit Parker. Il dit que les cardiomyocytes dérivés des cellules iPS représentent une énorme amélioration par rapport aux cellules cadavériques parfois utilisées pour tester des composés médicamenteux potentiels. Contrairement aux cellules de cadavre, les cellules générées par IPS battent de manière réaliste et peuvent être fournies en grandes quantités sur demande. De plus, les cellules générées par iPS peuvent avoir la même constitution génétique que les patients dont elles sont issues, ce qui est un énorme avantage pour adapter les médicaments et les traitements aux individus. Ces cellules fabriquées sur commande ne sont cependant pas bon marché. Le PDG de Cellular Dynamics, Robert Palay, dit qu'ils coûtent environ 1 500 $ pour un flacon standard de 1,5 million de cellules.

Une perspective particulièrement sensationnelle est que des cellules iPS pourraient être transplantées chez des patients afin qu'ils puissent régénérer des épines, des cerveaux, des cœurs ou d'autres tissus malades ou endommagés - une proposition particulièrement séduisante car ces cellules ne seraient pas rejetées par le corps de l'hôte. Elles pourraient aussi désamorcer la polémique politique autour des cellules souches embryonnaires, car elles permettront peut-être un jour de récolter des cellules pluripotentes sans détruire un embryon humain.

La transplantation, cependant, est dans des années pour la plupart des types de tissus, explique Alexander Meissner, chercheur sur les cellules souches de l'Université Harvard. Il n'est pas anodin de régénérer le tissu cérébral, dit-il. Cela va prendre plus de temps que les gens ne le pensent. Thomson est d'accord. Parler de transplantation a été une sorte d'exubérance irrationnelle, dit-il. Le processus d'utilisation des cellules iPS pour créer de nouveaux tissus présente encore certains dangers : certaines lignées cellulaires, par exemple, contiennent des mutations qui pourraient conduire au cancer, et dans certains cas, les cellules conservent une faible mémoire chimique de leur identité précédente en tant que peau ou cellules sanguines.

Thomson pense qu'il s'agit de revers temporaires. Nous avons depuis longtemps des greffes de moelle osseuse, qui sont essentiellement des cellules souches, dit-il. Et des travaux sont en cours en ce moment sur l'utilisation de cellules iPS pour réparer la dégénérescence maculaire. Mais réparer les dommages aux nerfs d'une colonne vertébrale est beaucoup plus difficile. D'autres partagent son optimisme prudent. Pratiquement tout ce qui concerne les cellules iPS est exagéré, explique Chris Austin, directeur du Chemical Genomics Center des National Institutes of Health. Mais dans le but de tester des candidats-médicaments, je pense que les possibilités sont considérables, et nous et beaucoup d'autres poursuivons cela. Il y a beaucoup de problèmes. Les cellules iPS sont-elles vraiment normales ? Comment obtenir suffisamment de cellules différenciées pures ? Mais le potentiel est bien là.

Brillant de mille feux : Une couche de cellules cardiaques de l'auteur ressemble à un bloc chaotique au microscope.

S'en tenir à la science
J'ai rendu visite à James Thomson pour la première fois lors d'une autre journée enneigée et glaciale dans le Wisconsin en 2008, quelques semaines après la publication de son article annonçant les cellules iPS dérivées de cellules humaines. Un homme décousu et pragmatique vêtu d'un pull décontracté et de Dockers battus, il était assis dans un petit bureau orné de poissons tropicaux, de fougères et d'un jeu de fléchettes antique et a discuté de sa découverte originale des cellules souches embryonnaires humaines en 1998. Son ensemble de travail au large d'une tempête de protestations : les opposants ont fait valoir que la destruction d'un embryon humain pour récolter ses cellules souches équivalait à un meurtre. Le président George W. Bush a restreint la plupart des financements fédéraux pour la recherche sur les cellules souches embryonnaires en 2001, et les critiques ont continué à vilipender Thomson, bien qu'il essaie de garder un profil bas. Je n'en parle pas beaucoup, dit-il. Je m'en tiens à la science.

La création de cellules iPS en 2007 semblait être un élégant serre-livres par rapport à la découverte de 1998, car elle offrait une nouvelle façon de produire des cellules souches qui peuvent se différencier en n'importe quel type de cellule - une méthode qui pourrait en fait être meilleure, car les cellules seraient génétiquement identiques à propre des patients. C'était un soulagement que nous puissions avoir une solution à cette situation politique et éthique, a déclaré Thomson. La percée, cependant, était une surprise. Nous savions que le processus iPS était une possibilité, a-t-il déclaré, mais lorsque nous avons commencé, j'étais sûr que cela prendrait au moins 10 ans. Thomson et un postdoctorant du Wisconsin, Junying Yu, ont entrepris de créer des cellules iPS en modifiant les cellules de la peau avec des gènes régulateurs normalement présents uniquement dans les embryons. La méthode, a-t-il dit, a surpris tout le monde en travaillant.

Thomson a cofondé CDI en 2007, à peu près au même moment où plusieurs autres sommités de cellules souches se sont impliquées dans des sociétés de cellules iPS. Ces concurrents potentiels, cependant, se concentrent principalement sur la création de produits thérapeutiques. Ils utilisent des cellules iPS pour aider à identifier et développer des candidats-médicaments et pour concevoir des processus qui pourraient un jour conduire à une transplantation. Jusqu'à présent, CDI n'a pas de concurrents sérieux sur le marché pour vendre des cellules générées par iPS en volume pour une utilisation dans la recherche et le criblage de médicaments. Cela s'explique en partie par le fait que Thomson et son équipe scientifique travaillent depuis plus longtemps pour surmonter les difficultés d'industrialisation de la technologie. Fabriquer des cellules iPS fonctionnelles en grande quantité est difficile, explique Meissner de Harvard.

La société privée n'a pas détaillé ses performances, mais son PDG a déclaré à un journal local que le CDI générait des revenus de plusieurs millions de dollars en vendant ses cellules cardiaques à environ 40 clients, dont la plupart des grandes sociétés pharmaceutiques. L'année prochaine, la société prévoit de déployer des cellules hépatiques, cérébrales et sanguines générées par iPS.

Cela change la donne, déclare la biologiste des cellules souches Sandra Engle, scientifique principale chez Pfizer qui a utilisé les cellules du CDI. Avant le CDI, ces cellules étaient très difficiles à obtenir et nous n'en recevions que de petites quantités. Cela ne fonctionne pas pour les tests à haut débit pour les médicaments. Pour Kyle Kolaja, responsable mondial des écrans de toxicologie prédictive et des technologies émergentes chez Roche, l'avantage des cellules CDI est qu'elles se comportent comme de vraies cellules. Ils ont déjà un impact majeur sur la sécurité et le développement des médicaments, dit-il. Ils ont déjà changé ce que nous faisons.

Indices cellulaires
Bien que des sociétés comme Roche et Pfizer utilisent actuellement des cellules iPS simplement pour dépister des thérapies potentielles pour la toxicité et d'autres caractéristiques, un jour des tests basés sur iPS pourraient être effectués sur des patients individuels pour voir s'ils sont particulièrement exposés aux effets secondaires. Euan Ashley, cardiologue à l'Université de Stanford, essaie d'utiliser des cellules iPS pour aider à diagnostiquer et à traiter un garçon de 16 ans présentant des symptômes précoces de cardiomyopathie dilatée, une maladie potentiellement mortelle dans laquelle le cœur gonfle et s'affaiblit. C'est le genre de maladie génétique grave qui traverse les familles et qui, selon nous, peuvent bénéficier des technologies iPS et de la génomique, explique Ashley. Il a examiné l'ADN du garçon à la recherche de marqueurs génétiques révélateurs associés à la maladie et a testé son frère et ses parents pour voir s'ils portaient également les marqueurs. L'équipe de Stanford envisage de créer des cellules iPS en reprogrammant des cellules cutanées issues de la famille puis de les amener à se différencier en cardiomyocytes porteurs des variations génétiques caractéristiques. En étudiant la biochimie de ces cellules cardiaques, les scientifiques espèrent obtenir des indices sur la façon dont elles pourraient réagir à divers candidats-médicaments.

Nous utiliserons les cellules iPS pour vérifier les différences entre cet enfant et les autres avec et sans la maladie, dit Ashley, et pour tester quels médicaments fonctionneront le mieux pour le garçon et les autres membres de la famille touchés. Ashley dit que l'un des objectifs est de développer des tests pour déterminer comment les variations génétiques affectent réellement les cellules. L'importance des facteurs génétiques sera reflétée dans ces cellules, dit-il.

Coeur froid: Des échantillons des cellules de l'auteur sont stockés dans des plateaux dans des conditions cryogéniques.

D'autres cliniciens et laboratoires utilisent également des cellules iPS dans des expériences destinées à faire la lumière sur la maladie. Par exemple, des chercheurs du Salk Institute étudient les neurones dérivés de l'iPS de personnes atteintes de schizophrénie pour voir en quoi ils diffèrent des neurones normaux, et ils examineront ce qui se passe lorsque les cellules sont exposées à des médicaments antipsychotiques. Au NIH, un groupe étudie les cellules générées par iPS de patients atteints d'une maladie génétique mortelle connue sous le nom de maladie de Niemann-Pick de type C. D'autres chercheurs ont proposé d'utiliser des cellules générées par iPS pour tester les effets de produits chimiques toxiques tels que le mercure et les pesticides.

L'espoir, selon les chercheurs, est de créer une bibliothèque de lignées cellulaires iPS provenant de personnes présentant des symptômes ou des comportements spécifiques associés à une maladie particulière. Roche a lancé un programme avec le Massachusetts General Hospital de Boston pour créer des lignées cellulaires qui reflètent différents types de maladies cardiaques ; les résultats pourraient aider la société à développer des médicaments. Cet été, le CDI et le Medical College of Wisconsin ont annoncé une subvention de 6,3 millions de dollars du NIH pour créer des cellules cardiaques générées par iPS à partir de 250 patients atteints d'hypertrophie ventriculaire gauche, une maladie qui provoque une hypertension artérielle et augmente le risque de maladie cardiovasculaire.

Les scientifiques sont encore loin d'utiliser systématiquement les cellules iPS pour diagnostiquer une maladie ou proposer des pronostics individuels. Austin du NIH prévient que les cellules individuelles ne racontent qu'une partie de l'histoire de ce qui se passe dans le système dynamique qu'est le corps humain. Dans certains cas, vous n'avez pas de cellule qui peut vous donner une vraie réponse sur une maladie comme la dépression, dit-il. Quel type de cellule utilisez-vous pour cela?

mon mambo
J'ai lancé mon propre parcours iPS dans une petite clinique Quest Diagnostics dans une rue verdoyante de San Francisco. Enroulant un tube en caoutchouc autour de mon bras, le phlébotomiste a enfoncé une aiguille pour prélever plusieurs flacons de sang qui seraient expédiés sur glace à Madison. Une fois arrivés au CDI, les techniciens ont ouvert mes globules blancs et ont utilisé un rétrovirus bio-ingénierie pour introduire des gènes de transcription maîtres dans leur ADN. Ces gènes ont reprogrammé les cellules de sorte que lorsqu'elles se sont répliquées, les résultats étaient des cellules pluripotentes plutôt que davantage de globules blancs. Leur transformation en cellules iPS fonctionnelles a pris plusieurs mois de cajoleries, de purification et de vérification qui ont coûté environ 15 000 $, que la société a payés en mon nom. Une fois que ma lignée cellulaire pluripotente bourdonnait, les scientifiques du CDI ont modifié quelques cellules pour les différencier en trois types de cellules cardiaques, que j'ai vues pour la première fois dans un clip vidéo qu'ils m'ont envoyé par e-mail.

À Madison, près d'un an après avoir renoncé à mon sang, j'étais juste un peu anxieux en regardant mes cellules cardiaques battre. J'étais sur le point d'avoir un aperçu des expériences que le CDI avait effectuées pour démontrer ce que ces petits faisceaux de cytoplasme et de noyaux issus de la bio-ingénierie pourraient dire sur ma santé et ma sensibilité à divers médicaments.

Chris Parker et le chef de produit de la société pour les cardiomyocytes, Blake Anson, ont pris l'initiative de me guider à travers une série d'évaluations qui ont commencé par des tests pour s'assurer que ces cellules sont toujours vous, a déclaré Parker. Ils m'ont montré une lame des 23 chromosomes appariés prélevés sur mon échantillon de sang d'origine et l'ont comparée à une lame montrant les chromosomes prélevés sur les cardiomyocytes. Ils avaient également effectué une simple comparaison génétique à l'aide de 16 marqueurs ADN, un test utilisé par les forces de l'ordre qui fournit un moyen rapide et relativement peu coûteux d'évaluer si deux échantillons correspondent. Lorsque mes cellules fabriquées ont été réunies, les scientifiques sont passés à la deuxième étape : voir si elles se comportaient comme de vrais cardiomyocytes.

Ils ont d'abord fait vibrer les cellules avec de l'électricité pour vérifier la plage de durée des potentiels d'action, les impulsions électriques qui entraînent les contractions cardiaques. Ensuite, ils ont mesuré les battements des cellules dans l'agrégat par rapport à une sorte de forme d'onde ECG comme celles qui apparaissent sous forme d'impulsions de haut en bas sur un moniteur d'hôpital. Mes cellules semblaient normales.

Pionnier pluripotent : Le biologiste de l'Université du Wisconsin James Thomson a cofondé Cellular Dynamics International en 2007 après avoir développé une méthode de reprogrammation de cellules humaines ordinaires pour créer des cellules souches pluripotentes induites, qui peuvent donner naissance à n'importe quel type de cellule. Thomson a depuis contribué à l'innovation dans l'utilisation des cellules iPS dans le développement de médicaments.

Un troisième test a opposé les cellules à deux médicaments. L'un était l'épinéphrine, qui déclenche la réaction de combat ou de fuite et accélère le pouls d'une personne. Nous pouvons le voir ici : battez, battez, battez, a déclaré Parker en me montrant une diapositive avec une ligne ECG. Votre fréquence cardiaque augmente considérablement, ce qui signifie que vous allez bien, vous pouvez fuir cet ours. Les scientifiques ont ensuite ajouté un agoniste sympathique, un médicament qui ralentit le cœur. Ainsi, vos cellules peuvent se détendre après avoir fui cet ours, a déclaré Parker. Lorsque j'ai envoyé à Euan Ashley les résultats de mes tests, il a vérifié ma normalité persistante et a confirmé que les cellules en question étaient ce qu'elles étaient censées être. Ces tests prouvent que les cellules sont des cardiomyocytes, a-t-il déclaré, ce qui, à ce stade précoce de cette science, est important.

Quelques semaines plus tard, le CDI a mené une autre série d'expériences qui ont soumis mes cellules à des médicaments aux effets secondaires toxiques connus. D'abord, Hismanal, un antihistaminique, et Propulsid, un médicament pour traiter les troubles gastro-intestinaux. Les deux médicaments ont été retirés du marché dans de nombreux pays, dont les États-Unis, car ils étaient associés à des arythmies cardiaques rares mais potentiellement mortelles. Cette propension est due à l'effet secondaire imprévu et indésirable des deux médicaments bloquant et perturbant l'activité normale d'un canal ionique spécifique dans le cœur, indique un rapport qui m'a été envoyé par courrier électronique par le CDI. Les deux médicaments ont eu des effets similaires sur les cardiomyocytes dérivés de l'iPS de David Duncan : une augmentation dose-dépendante de la durée du potentiel d'action… Les durées de potentiel d'action prolongées sont un déclencheur reconnu d'arythmie cardiaque pouvant entraîner une mort subite.

Pour une deuxième série de tests pharmaceutiques, les scientifiques ont exposé mes cellules à deux médicaments anticancéreux : Gleevec, utilisé principalement pour traiter certaines formes de leucémie, et Sutent, utilisé pour traiter les tumeurs de l'estomac, des intestins et de l'œsophage. Les deux médicaments ont des effets secondaires qui incluent des dommages au cœur, bien qu'ils restent en usage parce que les maladies qu'ils traitent sont si graves. Des tests in vitro sur les cardiomyocytes dérivés de l'iPS de David Duncan ont démontré que les deux médicaments avaient des effets indésirables, selon mon rapport, et que l'effet médié par Gleevec peut avoir été causé par une perturbation de la fonction mitochondriale. Encore une fois, les réactions de mes cellules n'étaient pas atypiques, bien que les chercheurs m'aient dit que si j'avais un cancer, des tests supplémentaires pourraient révéler des réponses spécifiques qui pourraient aider un médecin à décider quels médicaments étaient les meilleurs pour moi.

Ashley m'a dit que les cellules cardiaques générées par iPS offrent un grand potentiel pour tester les traitements contre le cancer. Les médicaments de chimiothérapie sont vraiment durs pour le cœur et les cellules cardiaques, a-t-il déclaré. Si cette technologie peut aider, ce sera vraiment important.

Le CDI m'a dit qu'au fur et à mesure que la science avance, il pourrait effectuer des tests basés sur le séquençage approfondi de l'ADN que j'avais fait pour un livre récent, Homme expérimental . Je serais particulièrement intéressé par un test qui pourrait déterminer à quel point je devrais être inquiet au sujet d'un facteur de risque génétique pour les effets secondaires des statines hypocholestérolémiantes. Selon mon profil génétique, j'ai un risque substantiel de myopathie – faiblesse musculaire – si je prends certaines formes de ces médicaments. Cependant, cette condition est due à un dysfonctionnement d'une enzyme produite par le foie, et non par le cœur, donc le découvrir dépend de la volonté de CDI de créer des cellules hépatiques à partir de ma lignée iPS.

Avant de quitter le laboratoire du CDI, j'ai jeté un dernier coup d'œil à mes cellules cardiaques battant dans leur boîte de Pétri dans une sorte de mambo bizarre, et je me suis demandé quand de telles banques de cellules individuelles deviendraient une partie intégrante des soins médicaux. De nombreux obstacles subsistent avant que cela ne se produise, notamment le coût élevé de fabrication des cellules. Pourtant, malgré les dépenses, dit Thomson, il y aura des gens qui voudront faire cela – des utilisateurs précoces riches qui voudront être informés d'une maladie ou d'un médicament. Ou certaines personnes pourraient le faire parce qu'elles pensent qu'avoir leurs cellules cardiaques battantes est cool.

Quant à moi, je suis toujours étonné que les cardiomyocytes dans le plat fassent partie de moi, sans parler du fait qu'ils pourraient un jour être utilisés comme doublures pour mes vraies cellules.

David Ewing Duncan est un écrivain basé à San Francisco. Son livre le plus récent est Homme expérimental : ce que le corps d'un homme révèle sur son avenir, votre santé et notre monde toxique.

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