La thérapie par cellules encapsulées

Aujourd'hui, un grand nombre de maladies ne sont pas traitées de façon adéquate par les méthodes thérapeutiques conventionnelles basées sur l'administration orale de substances médicamenteuses. Ceci est dû, en partie, à nos connaissances fragmentaires des mécanismes physiopathologiques moléculaires, mais, également, aux difficultés à utiliser les connaissances existantes sur la structure des récepteurs pharmacologiques pour développer des médicaments ayant des effets thérapeutiques spécifiques. Un exemple se rapporte aux mécanismes de développement des cancers. L'efficacité de traitement des différentes formes de cancer est toujours relativement faible et la compréhension des mécanismes moléculaires conduisant à la transformation oncogénique de différents types cellulaires est très limitée. Récemment, par contre, plusieurs peptides anti-angiogéniques ont été caractérisés et leur activité antitumorale démontrée.^1,2 Dans une approche pharmacologique classique, la connaissance de ces facteurs anti-angiogéniques devrait permettre l'identification de leurs récepteurs cellulaires, connaissance qui serait ensuite utilisée pour cribler des banques de composés chimiques afin de trouver une molécule agoniste représentant une nouvelle classe de médicaments anti-tumoraux. L'expérience montre que ce genre d'approche est très lente et les chances de succès relativement faibles.

Avec la connaissance bientôt complète du génome humain, un nombre considérable de nouvelles protéines sécrétées, agissant comme hormones, facteurs de croissance ou cytokines, ainsi que leurs récepteurs cellulaires, vont être identifiées et leurs rôles dans des processus pathophysiologiques élucidés. Les promesses que ces nouvelles découvertes apportent pour améliorer la santé humaine ne pourront être réalisées que si nous pouvons utiliser ces connaissances à des fins diagnostiques ou thérapeutiques. De nouvelles approches thérapeutiques seront nécessaires afin de répondre le plus rapidement possible aux besoins des patients. Les thérapies cellulaires et géniques permettront, à terme, de contribuer à exploiter ces développements.

Thérapie par cellules encapsulées 

Principe

Le concept de la thérapie par cellules encapsulées est relativement ancien et, dans son principe, très simple (fig. 1). Des cellules naturellement sécrétrices d'une substance bioactive ou sécrétant cette substance suite à des modifications génétiques, sont enveloppées, ou encapsulées, dans une membrane semi-perméable. Après encapsulation ces cellules sont implantées chez des patients pour permettre le relâchement in situ de la substance désirée. Un aspect essentiel de cette technologie réside dans les propriétés des membranes d'encapsulation utilisées. Celles-ci doivent permettre la diffusion libre de molécules de petite taille, telles que les nutriments et l'oxygène nécessaires à la survie des cellules encapsulées ainsi que la sécrétion des protéines thérapeutiques. D'autre part, les molécules de haut poids moléculaire, comme les anticorps, ainsi que les cellules immunitaires de l'hôte ne doivent pas pouvoir atteindre et détruire les cellules encapsulées.

L'administration de molécules thérapeutiques par la transplantation de cellules encapsulées a des avantages considérables : 1) la production in situ de molécules peptidiques compliquées ; 2) comme beaucoup de ces peptides ont une stabilité limitée lorsqu'ils sont préparés, par exemple, par génie génétique, la production en continu par les cellules transplantées évite ce problème ; 3) le nombre de cellules transplantées permet de contrôler la dose ; 4) la production et le relâchement des substances actives se font de façon localisée ce qui peut assurer une plus grande efficacité et moins d'effets secondaires et 5) le traitement peut être arrêté par retrait des cellules encapsulées. 

Application pour l'administration de substances thérapeutiques dans le système nerveux central

L'utilisation de cellules encapsulées pour l'administration de substances thérapeutiques dans le système nerveux central est particulièrement justifiée pour plusieurs raisons. Premièrement, à cause de la présence de la barrière hémato-encéphalique, les substances médicamenteuses ont un accès relativement difficile au CNS. Cette barrière est d'autant plus efficace lorsque les substances thérapeutiques sont des peptides tels que les facteurs neurotrophiques qui pourraient être utilisés pour le traitement de maladies neurodégénératives, comme la maladie de Parkinson (GDNF ou glial-derived neurotrophic factor), la maladie de Huntington ou la sclérose latérale amyotrophique (CNTF ou ciliary neurotrophic factor). Dans ces cas, la mise en place dans le cerveau de capsules peut permettre une production locale de ces facteurs. Un effet thérapeutique de telles approches a été démontré dans des expériences précliniques³ et des essais cliniques sont en cours pour évaluer leur faisabilité et leur efficacité chez l'homme.⁴ 

Application pour l'administration systémique de substances thérapeutiques

L'utilisation de cellules encapsulées pour l'administration systémique de substances thérapeutiques est envisagée pour le traitement de plusieurs maladies. La production d'érythropoïétine par des cellules modifiées génétiquement et transplantées de façon sous-cutanée a été évaluée chez les animaux de laboratoire et montre une excellente capacité à augmenter leur hématocrite.⁵D'autres maladies-cibles possibles sont le nanisme traité par l'hormone de croissance ; différentes formes de cancers dont la progression pourrait être stoppée par activation d'une réponse immunitaire par des molécules comme l'interleukine-2 ou par les facteurs anti-angiogéniques mentionnés plus haut. D'un point de vue expérimental, cette technologie pourrait également permettre d'évaluer le rôle physiologique de nouvelles protéines sécrétées et dont on suspecte un rôle dans différents mécanismes biologiques, par exemple dans le contrôle de la prise alimentaire, de la stimulation immunitaire ou autres. 

Application dans le développement d'un pancréas bio-artificiel

Un des grands défis actuels de l'utilisation de cellules encapsulées est le traitement du diabète de type I. Cette forme de diabète résulte de la destruction par le système immunitaire des patients des cellules b du pancréas. Le traitement de cette maladie consiste en l'injection d'insuline plusieurs fois par jour. Ce traitement a été perfectionné depuis la découverte de l'insuline il y a quatre-vingts ans par l'amélioration de la pureté de l'insuline utilisée, par la préparation d'insuline recombinante humaine et par l'amélioration des méthodes d'injection de l'insuline. Cependant, de part le mode même d'administration de l'insuline, il n'est pas possible de faire varier les concentrations circulantes de cette hormone de façon à maintenir une glycémie aux valeurs normales tout au long de la journée. Cette incapacité d'établir un contrôle fin des excursions glycémiques est la cause du développement des complications secondaires résultant d'atteintes mi-cro- et macrovasculaires et de neuropathies. Un contrôle plus agressif de la glycémie, par une augmentation du nombre d'injections d'insuline, permet de diminuer de façon très significative le développement de ces complications secondaires.⁶ Cependant, le contrôle parfait de la glycémie nécessiterait l'utilisation d'unités gluco-détectrices, pouvant mesurer la glycémie en continu, et couplées à un mécanisme de relâchement proportionné d'insuline. A ce jour, seules les cellules b du pancréas sont capables de remplir ces tâches. C'est pourquoi beaucoup d'efforts sont actuellement portés sur le développement de méthodes de transplantation d'îlots de Lan-gerhans ou de lignées cellulaires insulino-sécrétrices.

Le traitement du diabète par transplantation de pancréas donne de bons résultats avec une insulino-indépendance à plus d'une année après transplantation de plus de 50%. La transplantation d'îlots de Langerhans isolés est, par contre, beaucoup moins efficace et le taux d'insulino-indépendance à une année est d'environ 10% lors d'allotransplantation.⁷ Ce faible succès est certainement dû au grand nombre de variables intervenant dans une telle opération et qui dépendent de la qualité de la préparation d'îlots, de l'état physiologique du receveur, des méthodes d'immunosuppression qui peuvent être toxiques pour les cellules b et de la présence d'une auto-immunité préexistante contre les cellules b pancréatiques. C'est pourquoi beaucoup de chercheurs pensent qu'il est préférable d'envisager le traitement du diabète de type I par transplantation de lignées cellulaires b encapsulées. L'utilisation de lignées cellulaires permet d'avoir une source de cellules qui peut être amplifiée à volonté et dont les caractéristiques fonctionnelles et la pureté microbiologique peuvent être certifiées. D'autre part, l'utilisation de méthodes d'encapsulation cellulaire permet de réduire les problèmes immunologiques et permet également de remplacer les cellules lorsque leur état fonctionnel le requiert.

Dans la pratique, notre groupe utilise une lignée cellulaire murine dérivée de cellules b du pancréas, les cellules bTc-Tet.⁸ Ces cellules sont probablement les meilleures cellules insulino-sécrétrices existantes : elles peuvent se multiplier en culture de manière illimitée mais leur croissance peut être arrêtée à volonté, grâce à l'existence d'un commutateur génétique contrôlable par la tétracycline. En arrêt de croissance, ces cellules contiennent une quantité d'insuline semblable à celle des cellules b natives et leur réponse sécrétoire au glucose est normale. Ces cellules peuvent être transplantées non encapsulées chez des souris diabétiques syngénéiques et corriger de façon permanente leur diabète.

Ces cellules nous permettent de partir d'un matériel biologique bien caractérisé pour évaluer les problèmes liés à leur survie et leur fonctionnement dans un système d'encapsulation. Les problèmes biologiques liés à l'encapsulation cellulaire sont dus à l'environnement particulier dans lequel ces cellules vont se trouver. A l'intérieur d'un îlot de Langerhans, chaque cellules b est en contact direct avec les capillaires sanguins, une situation qui permet une oxygénation et un accès aux nutriments très rapides ainsi qu'une excellente cinétique de sécrétion d'insuline. Encapsulées, ces cellules devront fonctionner en présence de gradients d'oxygène et de nutriments moins favorables et dans un site de l'organisme différent du site naturel.

Diverses méthodes d'encapsulation ont été utilisées pour la transplantation de cellules insulino-sécrétrices. L'approche la plus ancienne est basée sur des microcapsules formées de polymères d'alginate et de poly-L-lysine. La figure 1 montre des cellules bTc-Tet encapsulées dans de l'alginate. De telles capsules, contenant des îlots de Langerhans, ont permis de traiter le diabète de souris et de singes pendant des périodes de plusieurs mois.^9,10 Ces capsules sont cependant fragiles et sont progressivement détruites après implantation. D'autre part, puisqu'elles sont généralement implantées dans la cavité péritonéale, il est relativement difficile de s'assurer, qu'au besoin, elles puissent être retirées. De nombreuses expériences ont également été conduites avec des capsules de géométrie différente, fibres creuses ou membranes planes (fig. 2) et formées de membranes de composition chimique définie (copolymères de chlorure de polyvinyl et de polyacrylonitrile ; polyéthylène-sulfone). L'avantage de ces capsules est leur solidité et leur capacité à être retirées à volonté. D'autre part, leur propriété de diffusion peut être bien définie, permettant d'exclure la diffusion à l'intérieur de la capsule de protéines de taille définie. Ce sont les capsules de type fibres creuses qui ont été utilisées en clinique pour les maladies neurodégénératives mentionnées plus haut. Une difficulté dans l'utilisation de ces capsules pour le traitement du diabète de type I réside dans le fait qu'un grand nombre de cellules doit être transplanté (~100 à 500 millions). Pour que la taille requise de ces implants ne devienne trop grande, les cellules doivent être chargées à haute densité, ce qui est difficilement compatible avec la survie des cellules b.

Dans ce contexte, nous avons pu démontrer un avantage supplémentaire de l'utilisation d'une lignée cellulaire b sur les îlots de Langerhans isolés. En effet, nous avons pu modifier ces cellules par génie génétique afin de leur faire exprimer un gène de résistance à la mort cellulaire, le gène Bcl-2.¹¹ Ces cellules, bTc-Tet-Bcl-2, montrent en effet une résistance remarquable à la survie à haute densité tout en préservant leur caractéristique fonctionnelle. La figure 2 (droite) montre l'histologie d'une capsule de type membrane plane contenant ces cellules et retirée de la cavité péritonéale d'une souris diabétique deux semaines après implantation.

La transplantation d'un grand nombre de cellules dans un système permettant une bonne cinétique d'échange de nutriments et de sécrétion d'insuline a été développée pendant les années 1980 (fig. 3). Il s'agit d'un appareil connecté au système vasculaire et qui contient une chambre de diffusion formée d'une membrane semi-perméable dans laquelle le sang passe. Entre cette membrane et la paroi de cette chambre se trouve l'espace dans lequel les cellules insulino-sécrétrices sont chargées. Ce système développé par la compagnie américaine Circé a été utilisé sur un très grand collectif de chiens et a démontré sa capacité de traiter le diabète.¹²A cause du mode d'implantation vasculaire, ce système n'est probablement pas approprié à une utilisation clinique. Il permet cependant de démontrer la possibilité théorique de réaliser un pancréas bio-artificiel. 

Conclusions

La transplantation de cellules encapsulées devrait permettre l'utilisation en thérapie d'un grand nombre de peptides ou protéines de faible poids moléculaire dans tous les cas où une substance pharmacologique absorbable par voie orale n'est pas disponible. Ceci est le cas, par exemple, pour les maladies neurodégénératives, différentes formes de cancer et les retards de croissance. L'utilisation de cellules transplantées est également une des meil-leures solutions envisageables pour le traitement du diabète de type I puisque, pour cette maladie, le problème essentiel est d'administrer l'insuline en temps et en quantité voulus, une condition que, pour l'instant, seules les cellules b pancréa-tiques sont capables de remplir. La réalisation satisfaisante d'un pancréas bio-artificiel nécessitera encore des progrès tant au niveau cellulaire qu'au niveau des systèmes d'encapsulation. En particulier, l'établissement de lignées cellulaires b d'origine humaine et le développement d'un système d'encapsulation non vasculaire pour un très grand nombre de cellules. Ces buts représentent des défis importants pour ces prochaines années.