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Exploration du potentiel thérapeutique des cellules souches embryonnaires humaines pour la thérapie cellulaire de la maladie de Huntington, Study of the therapeutic potential of human embryonic stem cells for cell therapy of HD

De
175 pages
Sous la direction de Marc Peschanski
Thèse soutenue le 05 décembre 2008: Evry-Val d'Essonne
La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative rare, qui affecte les neurones GABAergiques moyens épineux (MSN) du striatum. Actuellement aucun traitement ne permet de guérir cette pathologie. Un essai clinique pilote, fondé sur la greffe intracérébrale de tissus fœtaux humains, a permis de remplacer les cellules lésées et de corriger certains symptômes. Néanmoins, la logistique nécessaire pour accéder à ces cellules limite cette forme de thérapie cellulaire à un nombre de patients restreint. Il est nécessaire d’identifier une source alternative de cellules capables de remplacer efficacement les tissus fœtaux. Les cellules souches embryonnaires humaines (hES) possèdent deux propriétés essentielles, l’autorenouvellement et la pluripotence, qui en font des candidats intéressants. L’objectif de notre étude a été d’évaluer le potentiel thérapeutique de ces cellules pour la thérapie cellulaire de la MH. Nous avons élaboré un protocole permettant la production, in vitro, de progéniteurs striataux capables de se différencier en MSN, à partir de cellules hES. Une fois greffés dans un striatum lésé de rat, ces progéniteurs peuvent survivre et se différencier en neurones MSN. Ces expériences de xénogreffes ont d’autres parts révélés la présence de cellules neurales prolifératives persistantes. L’ensemble de nos résultats démontre que les cellules hES constituent une source cellulaire alternative pertinente pour la thérapie cellulaire de la MH. Cependant, ils soulignent la nécessité de mettre en place des mesures spécifiques pour contrôler la prolifération in vivo des greffons issus de cellules hES, avant d’envisager toute application clinique.
-Striatum
Huntington’s disease (HD) is a neurodegenerative monogenic disorder resulting primarily in loss of GABAergic medium spiny striatal neurons (MSN). There is no known treatment to cure this pathology. Recent clinical trials consisting in transplanting human fetal tissue into the striatum of HD patients resulted in the substitution of lost cells and lead to functional benefits. However, application of this treatment to a large number of patients is restricted because the source and the processing of fetal cells are limiting factors. Thus, it is necessary to identify an alternative source of cells suitable to replace efficiently fetal tissue. Human embryonic stem (hES) cells, because they are self-renewable and pluripotent, are prime candidates. The aim of our work was to evaluate the therapeutic potential of hES cells for cell therapy of HD. We have designed a protocol to direct the differentiation of hES cells toward a striatal neuronal fate. This protocol allows the production from hES cells of striatal progenitors that are able to differentiate in MSN in vitro. Once transplanted into the lesioned striatum of rats these progenitors can survive and differentiate in MSN. On the other hand this xenografting experiments revealed that grafted cells have an extensive proliferation capacity. All the in vitro and in vivo data demonstrate that hES cells differentiation can be efficiently direct to a cell population relevant for cell therapy of HD. However these results underlines specific precautionary action on the path to the clinic, allowing for blocking cells proliferation if need be.
Source: http://www.theses.fr/2008EVRY0027/document
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UNIVERSITE D’EVRY VAL D’ESSONNE
Ecole Doctorale des génomes aux organismes



Thèse de Doctorat
Spécialité : Neurosciences


Présentée par

Laetitia AUBRY


Pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université d’Evry Val d’Essonne





Exploration du potentiel thérapeutique des cellules
souches embryonnaires humaines pour la thérapie
cellulaire de la maladie de Huntington.






Soutenue le 5 décembre 2008, devant le jury constitué de :


Rapporteur Pr Anne-Catherine BACHOUD-LEVI Pr Stéphane VIVILLE
Examinateur Pr Etienne-Emile BAULIEU
Examinatrice Pr Jeanine TORTAJADA Dr Sandrine HUMBERT
Directeur de Thèse Dr Marc PESCHANSKI
Dr Anselme PERRIER Co-directeur de Thèse




1 2Sommaire

Sommaire .................................................................................................................................. 1

Liste des abréviations............................................................................................................... 5

Résumé....... 9

Abstract.... 10

Introduction ............................................................................................................................ 11
1. La maladie de Huntington................................................................................................ 13
1.1. Signes cliniques et traitements symptomatiques...................................................... 13
1.1.1. Signes cliniques. 13
1.1.2. Traitements symptomatiques............................................................................ 14
1.2. Caractéristiques génétiques...................................................................................... 14
1.3. Huntingtine et mécanismes physiopathologiques. ................................................... 16
1.3.1. Mécanismes associés au gain de fonction toxique........................................... 17
1.3.1.1. Dysfonctionnement mitochondrial et perturbations du métabolisme
énergétique. .................................................................................................................. 18
1.3.1.2. Excitotoxicité. .......................................................................................... 19
1.3.2. Mécanismes associés à la perte de fonction de la huntingtine sauvage. .......... 22
1.3.3. Hypothèse quant à la vulnérabilité préférentielle du corps strié. ..................... 23
1.3.4. Conclusion sur la physiopathologie de la MH. ................................................ 24
1.4. Neuropathologie....................................................................................................... 25
1.4.1. Organisation structurale et fonctionnelle du striatum. ..................................... 25
1.4.1.1. Organisation cellulaire. ............................................................................ 26
1.4.1.2. Les neurones moyens épineux et la protéine DARPP-32. ....................... 27
1.4.1.3. Organisation microstructurale.................................................................. 30
1.4.1.4. Afférences, efférences et fonction du striatum au sein des ganglions de la
base………................................................................................................................... 30
1.4.2. Anatomopathologie. ......................................................................................... 33
2. Approches thérapeutiques de la maladie de Huntington.................................................. 35
2.1. Approches pharmacologiques. ................................................................................. 35
2.2. Thérapie génique neuroprotectrice........................................................................... 36
2.3. Thérapie cellulaire de la ma .................................................... 38
2.3.1. Modèles animaux pour les études de transplantation....................................... 39
2.3.2. Greffe de neurones striataux fœtaux : de la recherche expérimentale aux essais
cliniques. .......................................................................................................................... 41
2.3.2.1. Etudes expérimentales et pré-cliniques.................................................... 41
2.3.2.2. Les essais cliniques .................................................................................. 49
2.3.3. Sources alternatives de tissus donneurs. .......................................................... 52
3. Cellules souches embryonnaires humaines et différenciation neuronale......................... 55
3.1. Aspects cellulaires et moléculaires du développement striatal. ............................... 55
3.1.1. Morphogenèse du télencéphale. ....................................................................... 56
3.1.1.1. Première étape du développement du SNC : rappel................................. 56
3.1.1.2. Structure du télencéphale. ........................................................................ 58
3.1.2. Voies de signalisation impliquées dans le développement du télencéphale. ... 60
3.1.3. Facteurs de transcription mis en jeu dans le développeme 62
13.1.4. Conclusion sur les aspects développementaux................................................. 64
3.2. Les cellules souches embryonnaires humaines. ....................................................... 64
3.2.1. Origine et dérivation des cellules hES. ............................................................ 64
3.2.2. Caractérisation, propriétés et culture des cellules hES. ................................... 65
3.2.2.1. Caractérisation des cellules hES. ............................................................. 65
3.2.2.2. Propriétés des cellules hES ...................................................................... 67
3.2.2.3. Culture des cellules hES........................................................................... 70
3.2.3. Induction, spécification et différenciation neurale des cellules hES............... 71
3.2.3.1. Induction neurale des cellules hES in vitro.............................................. 71
3.2.3.2. Spécification et différenciation neurale des cellules hES in vitro............ 74
3.3. Cadre législatif français et recherche sur l’embryon et les cellules hES. ................ 77
4. Problématique................................................................................................................... 78

Résultats .................................................................................................................................. 79
1. Etude du potentiel de différenciation des cellules hES in vitro et dans un modèle rongeur
de la maladie Huntington. ........................................................................................................ 81
1.1. Elaboration du protocole de différenciation permettant la production de progéniteurs
striataux à partir de cellules hES in vitro. ............................................................................ 81
1.2. Xéno-transplantation de progéniteurs de neurones striataux dérivés de cellules hES
dans un modèle rongeur de la maladie de Huntington. ........................................................ 82
1.3. Conclusion................................................................................................................ 83
2. Optimisation du protocole d’induction neurale : produire plus efficacement des
précurseurs neuraux d’une manière plus directement applicable aux essais cliniques. ........... 85
2.1. Induction neurale des cellules hES en milieu « N2B27 » in vitro. .......................... 85
2.2. Effets des inhibiteurs Noggin et SB431254 sur l’induction neurale des hES in vitro.
.................................................................................................................................. 86
2.3. Conclusion. 88

Discussion et perspectives...................................................................................................... 89
1. Discussion ........................................................................................................................ 91
1.1. Des cellules souches embryonnaires humaines aux populations striatales : Clefs de
lecture de la production in vitro de greffons pour la thérapie cellulaire de la MH. ............. 91
1.2. Greffons neuraux issus de cellules hES : maturation striatale in vivo et perspectives
thérapeutiques....................................................................................................................... 95
1.3. Surprolifération des greffons neuraux issus de cellules hES : un obstacle majeur de
nature « pathologique » ou « physiologique » pour l’application clinique......................... 98
1.4. Induction neurale : une nouvelle méthode de production de précurseurs neuraux
plus efficace et rapide......................................................................................................... 101
1.5. Neuroblastes fœtaux humains et progéniteurs dérivés de cellules hES : des limites
des uns aux avantages des autres........................................................................................ 103
2. Perspectives.................................................................................................................... 105

Références Bibliographiques............................................................................................... 107

Annexes ................................................................................................................................. 125
Annexe 1 - Article 2............................................................................................................... 127
Evolutionary forces shape the human RFPL1, 2, 3 genes toward a role in neocortex
development. .......................................................................................................................... 127
3. Annexe 2 – Article 3 ...................................................................................................... 129
22. Annexe 2 – Article 3 ...................................................................................................... 131
Improvement of Culture Conditions of Human Embryoid Bodies using a Controlled Perfused
and Dialyzed Bioreactor System. ........................................................................................... 131
3. Annexe 3 ........................................................................................................................ 133
Matériel et méthodes. ............................................................................................................. 133

11 12Liste des abréviations

AAV : Adeno-Associated Virus
AChE : Acétylcholinestérase
ADN(c) : Acide DésoxyriboNucléique (complémentaire)
AMPA : α-Amino-3-hydroxy-5-méthylisoazol-4-propionate
AMPc : Adénosine Monophosphate cyclique
ARN : Acide RiboNucléique
ATP : Adénosine TriPhosphate
BDNF : Brain Derived Neurotrophic Factor
BET : Bromure d’Ethidium
BHK : Baby Hamster Kidney
BMP : Bone Morphogenic Protein
Calb : calbindine
CBP : CREB-Binding Protein
Cdk-5 : Cyclin-dependent kinase 5
ChAT : Choline Acétyltransférase
CNTF : Ciliary Neurotrophic Factor
CREB : cAMP Response Element-Binding
CSN : Cellules Souches Neurales
DARPP-32 : Dopamine and cAMP Regulated PhosphoProtein 32
DMEM : Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium
dNTP : désoxy Nucléotide TriPhosphate
DPI : Diagnostic Préimplantatoire
Dkk-1 : Dickkopf-1
EBs : Embryoid Bodies (Corps embryoïdes)
EC : Embryonal Carcinoma
EGF : Epithelial Growth Factor
ERK : Extracellullar signal Regulated Kinase
FACS : Fluorescence-Activated Cell Sorting
FGF: Fibroblast Growth Factor
FGF2 : basic FGF (bFGF)
Forse1 : forebrain surface embryonic antigen-1.
GABA : Acide γ-Amino-Butyrique
GABA : GABA de type A A
GABA-T : GABA Transaminase
5GAD : Glutamic Acid Decarboxylase
GCV : Ganciclovir
GDNF : Glial cell line-Derived Neurotrophic Factor
GFAP : Glial Fibrillary Acidic Protein
GPe : Globus Pallidus externe
GPi : Globus Pallidus interne
GLT-1: Glutamate Transporter 1
GMP : Good Manufactoring Practice
HAP1 : Huntingtin Associated Protein 1
HDAC : Histone Déacétylase
hES : human Embryonic Stem
HNA : Human Nuclear Antigen
HNF : Human Neurofilaments
HSV1 : Herpes Simplex Virus type 1
HTS : High Throughput Screening
htt : huntingtine
htt-m : huntingtine mutée
IgG : Immunoglobuline G
iPS : induced Pluripotent Stem
IRM : Imagerie par Résonance Magnétique
IVG : Interruption Volontaire de Grossesse
KSR : Knock-out Serum Replacement
LGE : Lateral Ganglion Emisence (Eminence ganglionnaire latérale)
LIF: Leukemia Inhibitory Factor
MACS : Magnetic Affinity Cell Sorting
MAP2 : Microtubule Associated Protein 2
MEF : Mouse Embryonic Fibroblast
MEK : MAP-kinase/ERK-kinase
mES : mouse Embryonic Stem
MGE : Medial Ganglion Eminence (Eminence ganglionnaire médiale)
MH : Maladie de Huntington
MS5 : Murine Stromal 5
MSN : Medium Spiny Neuron (neurones moyens épineux)
NADPH-d : Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate-diaphorase
NCAM : Neural Cell Adhesion Molecule
NCoR : Nuclear receptor corepressor
NMDA : N-Methyl-D-Aspartate
6NOS : Nitric Oxide Synthase (monoxyde d’azote synthétase)
3-NP : 3-Nitroproprionic Acid (acide 3-nitropropionique)
NR1 : N-methyl-D-aspartate R1
NR2B : N-methyl-D-aspartate R2B
NRSE : Neuron Restrictive Silencer Element
NST : Noyau sub-thalamique / Noyau sous-thalamique
NT3 : Neurotrophin-3
ORDT : Object Retrieval Detour Task
p53 : protein 53
PBS : Phosphate Buffer Saline
PCR : Polymerase Chain Reaction
PDGF-A : Platelet-Derived Growth Factor-A
PET : Positron Emission Tomography (Tomographie par émission de positrons)
PFA : ParaFormAldéhyde
PKA : Protéine Kinase A
PP1 : Protéine phosphatase-1
PP-2A: Protéine phosphatase-2A
QA : acide quinolinique
qPCR : quantitative Polymerase Chain Reaction
RA : acide rétinoïque
RE1/NRSE : Repressor Element 1/Neuron-Restrictive Silencer Element
REST : Repressor Element Silencing Transcription Factor
REST/NRSF : Repressor Element-1 Silencing Transcription Factor/Neuron-Restrictive Silencer Factor
RT : Reverse Transcription
SAHA : SuberoylAnilide Hyroxamic Acid
SDIA : Stromal cell-Derived Inducing Activity
Shh : Sonic hedgehog
SLA : Sclérose Latérale Amyotrophique
SNC : Système Nerveux Central
SNc : Substance Noire pars compacta
SNr : Substance Noire pars reticulata
Sp1 : Specificity protein 1
SSEA-4 : Stage Specific Embryonic Antigen 4
STEP: Striatal-enriched protein tyrosine phosphatase
STO : cellules stromales murines
SVZ : zone sous-ventriculaire
TAE : Tris-Acetate-EDTA
7TAFII130 : TATA-binding protein-associated factor
TBP : TATA binding protein
TERT : Telomerase Reverse Transcriptase
TFIID : TATA box-binding Factor
TGF- β : Tumor Growth Factor β
TH : Tyrosine Hydroxylase
TK : Thymidine Kinase
TRA : Tumour Rejection Antigen
Tuj1 : neuron-specific class III β-Tubulin.
VZ : zone ventriculaire
WGE : Whole Ganglion Eminence (Eminence ganglionnaire entière)
Wnt : Wingless/Int




















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