Différenciation de cellules souches pluripotentes humaines en précurseurs de cellules bêta pancréatiques dans un système de culture 2D

Le diabète est un trouble métabolique complexe qui touche des millions de personnes dans le monde. La supplémentation en insuline est considérée comme la seule option de traitement du diabète. Les cas plus avancés sont traités par thérapie de remplacement des cellules bêta, obtenue par transplantation du pancréas cadavérique entier ou des îlots ^1,2. Plusieurs problèmes entourent la thérapie de transplantation, tels que la limitation de la disponibilité et de la qualité des tissus, le caractère invasif des procédures de transplantation en plus du besoin continu d’immunosuppresseurs. Cela nécessite la découverte d’options nouvelles et alternatives pour la thérapie de remplacement des cellules bêta ^2,3. Les cellules souches pluripotentes humaines (CSPh) sont récemment apparues comme un outil prometteur pour comprendre la biologie du pancréas humain et comme une source non exhaustive et potentiellement plus personnalisée pour la thérapie de transplantation 4,5,6,7. Les CSPh, y compris les cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) et les cellules souches pluripotentes induites par l’homme (CSPh), ont une capacité d’auto-renouvellement élevée et donnent naissance à tout type de tissu du corps humain. Les CSEh sont dérivées de la masse cellulaire interne de l’embryon et les CSPh sont reprogrammées à partir de toute cellule somatique ^4,8.

Les protocoles de différenciation dirigée sont optimisés pour générer des cellules bêta pancréatiques à partir de CSPh qui dirigent séquentiellement les CSPh à travers les stades de développement pancréatique in vitro. Ces protocoles génèrent des organoïdes d’îlots dérivés de hPSC. Bien qu’ils se soient grandement améliorés pour augmenter la proportion de cellules bêta pancréatiques dans ceux-ci, l’efficacité des protocoles est très variable. Il n’augmente pas à plus de ~40% des cellules NKX6.1+/INSULIN+ ou C-PEPTIDE+ 5,9,10,11,12,13. Cependant, les cellules bêta générées ne sont pas entièrement identiques aux cellules bêta humaines adultes en termes de profils transcriptionnels et métaboliques et de leur réponse au glucose ^4,5,14. Les cellules bêta dérivées de hPSC manquent d’expression génique de marqueurs cellulaires bêta clés tels que PCSK2, PAX6, UCN3, MAFA, G6PC2 et KCNK3 par rapport aux îlots humains adultes⁵. De plus, les cellules bêta dérivées de hPSC ont une signalisation calcique diminuée en réponse au glucose. Ils sont contaminés par les cellules polyhormonales co-générées qui ne sécrètent pas des quantités appropriées d’insuline en réponse à l’augmentation des niveaux de glucose⁵. D’autre part, les progéniteurs pancréatiques dérivés de l’hPSC, qui sont des précurseurs d’îlots, pourraient être générés plus efficacement in vitro que les cellules bêta et, lorsqu’ils sont transplantés in vivo, pourraient mûrir en cellules bêta fonctionnelles sécrétant de l’insuline^15,16. Les essais cliniques visent actuellement à démontrer leur innocuité et leur efficacité lors de la transplantation chez des sujets atteints de DT1.

Notamment, l’expression des facteurs de transcription PDX1 (Pancreatic and Duodenal Homeobox 1) et NKX6.1 (NKX6 Homeobox 1) au sein d’une même cellule progénitrice pancréatique est cruciale pour l’engagement vers une lignée de cellules bêta⁵. Les progéniteurs pancréatiques qui n’expriment pas NKX6.1 donnent naissance à des cellules endocrines polyhormonales ou à des cellules bêta non fonctionnelles^17,18. Par conséquent, une co-expression élevée de PDX1 et NKX6.1 au stade progéniteur pancréatique est essentielle pour générer un grand nombre de cellules bêta fonctionnelles. Des études ont démontré qu’un corps embryoïde ou une culture 3D améliore PDX1 et NKX6.1 chez les progéniteurs pancréatiques où les cellules différenciantes sont agrégées, variant entre 40% et 80% de la population PDX1+/NKX6.1+^12,19. Cependant, par rapport aux cultures en suspension, les cultures de différenciation 2D sont plus rentables, réalisables et pratiques pour une application sur plusieurs lignées cellulaires⁵. Nous avons récemment montré que les cultures de différenciation monocouche produisent plus de 90% des progéniteurs pancréatiques dérivés de PDX1+/NKX6.1+ co-exprimant hPSC^20,21,22. La méthode rapportée conférait une capacité de réplication élevée aux progéniteurs pancréatiques générés et empêchait d’autres spécifications de devenir telles que la lignée hépatique²¹. Par conséquent, ce protocole démontre une méthode très efficace pour la différenciation des CSPh en précurseurs pancréatiques des cellules bêta co-exprimant PDX1 et NKX6.1. Cette méthode utilise la technique de dissociation de l’endoderme dérivé de hPSC et de manipulation de la densité cellulaire, suivie d’une signalisation étendue FGF et rétinoïde ainsi que de l’inhibition de Hedgehog pour promouvoir la co-expression de PDX1 et NKX6.1 (Figure 1). Cette méthode peut faciliter une génération évolutive de précurseurs bêta-cellulaires pancréatiques dérivés de hPSC pour la thérapie de transplantation et la modélisation de la maladie.