Philosophie, phylogénie et biologie des cellules souches – STEM

Les trois questions philosophiques qui nous intéressent sont celles de l'unité de la catégorie des cellules souches, de la stabilité de la propriété souche et des conséquences pour la biologie.

Afin d'examiner l'unité des cellules souches, nous proposons une analyse de l'évolution des cellules souches à travers les animaux, dont l'objectif est à la fois d'identifier si les cellules souches ont une ou plusieurs origines évolutives et de définir de potentielles signatures moléculaires permettant l'identification prospective de nouvelles cellules souches dans d'autres tissus ou animaux. Pour cela, nous nous basons sur la réanalyse de données de séquençage ARN en cellules unique dans de nombreux tissus et espèces représentative des métazoaires (animaux). Ces données permettent d'extraire les gènes sur-exprimés dans divers cellules souches et de comparer ces signatures moléculaires à travers les métazoaires.

Afin d'examiner la stabilité de la propriété souche, nous proposons deux approches expérimentales. La première vise à étudier la propriété souche en contexte d'homéostasie et de régénération. Pour cela nous proposons d'examiner comment des populations de cellules souches sont regénérées après leur élimination via amputation dans une annélide marine (un petit ver de mer capable de régénérer sa partie postérieure, qui contient des cellules souches adultes). La seconde vise à étudier la propriété souche en contexte malin et la façon dont sa modulation peut modifier l'évolution des cellules cancéreuses. Pour cela nous propos de réguler, à la hausse et à la baisse, une voie impliquée dans la propriété souche (la voie Myc) et d'observer les conséquences pour les cellules souches leucémiques et pour l'évolution clonale leucémique, dans un modèle murin syngénique de leucémie aiguë myéloïde modèle Cbfb56M/+ modélisant une LAM CBFB::MYH11).

Enfin, nous proposons d'évaluer les conséquences de ces résultats sur la façon de concevoir les cellules souches. Il s'agit ici d'un volet strictement philosophique, qui vise à tirer les conséquences théoriques et conceptuelles du projet

Notre étude de l'évolution des cellules souches à travers les animaux montre un résultat fort et sans ambiguïté : les cellules souches se regroupent par types plutôt que par espèce. Ainsi, les cellules souches germinales de la souris, par exemple, présentent un profil moléculaire plus proche des cellules souches germinales de l'hydre (ces espèces étant pourtant très éloignées sur le plan évolutif) que de leurs propres cellules souches tissu-spécifiques (cellules souches musculaires, hématopoïétiques, neuronales, épidermiques). Nous identifions 3 grands types de regroupements (les cellules souches pluripotentes adultes, les cellules souches germinales et les cellules souches spécifiques à des tissus). Ces résultats sont en faveur d'origines évolutives distinctes, au moins pour les cellules souches germinales et adultes pour lesquelles nous avons identifié des profils moléculaires spécifiques (la méthode est présentée ici: github.com/louis-pare/stem_cell_evolution/ et les analyses seront mises en libre accès lors de la publication).

Nos données expérimentales sur les cellules souches en contexte d'homéostasie et de régénération chez l'annélide marine P. dumerilii indiquent que la propriété souche peut changer de catégorie en contexte de régénération et en fonction de la nature du processus régénératif. En contexte d'homéostasie la propriété souche est constitutive des cellules souches, alors qu'en contexte de régénération, la propriété souche peut-être acquise par des cellules non-souches.

Des analyses de transplantations en dilution limite ont montré que la diminution d’expression de Myc était associée à une diminution du nombre de cellules souches dans notre modèle murin de leucémie. L’analyse des données du séquençage d’exome sont en cours afin de déterminer si la modulation du caractère souche a un impact sur l’architecture clonale des leucémies.

Ensemble, ces données semblent suggérer que toutes les cellules dites "souches" ne sont pas un même type d'objet biologique (deux origines évolutive indépendantes) mais qu'une certaine plasticité dans l'identité souche demeure possible. Cela a de nombreuses conséquences pour la biologie, notamment pour la médecine régénérative et pour le traitement des cancers, puisqu'il devrait être possible de moduler l'identité souche en fonction des besoins.

Si la propriété souche peut exister sous différentes formes et s'il est possible qu'un type particulier de cellules souches change de catégorie de propriété souche dans différents contextes, cela soulève deux types de questions.

Premièrement, d'un point de vue théorique, comment pouvons-nous rendre compte d'un concept aussi mouvant ? Pouvons-nous élaborer une nouvelle définition et une description plus solide des cellules souches qui tiennent compte d'une telle variabilité en fonction des contextes biologiques ?

Deuxièmement, d'un point de vue empirique, pouvons-nous comprendre ce qui, dans les changements de contextes, est responsable de changements de catégorie des cellules souches ? Cela serait d'une importance capitale pour mieux prédire ou anticiper le comportement des cellules dans divers tissus, espèces et contextes. Pouvons-nous également apprendre à manipuler l'identité des cellules souches ? Cela serait très utile dans un contexte pratique. Par exemple, il reste difficile d'isoler et de maintenir en culture des cellules souches spécifiques d'un tissu, alors que les besoins en la matière sont très importants. Cela serait également utile à des fins cliniques, par exemple pour les thérapies cellulaires, les thérapies régénératives ou encore le traitement des cancers.

La notion de cellule souche occupe une place centrale en biologie. Grâce à leur capacité à s’auto-renouveler et à se différencier, les cellules souches assurent le maintien, la réparation et, dans certains cas, la régénération des tissues. Pourtant, il n’existe pas aujourd’hui de consensus sur ce qu’est une cellule souche. En effet, les données expérimentales accumulées ces dernières années ont remis en question la représentation traditionnelle selon laquelle les cellules souches sont des entités discrètes et isolables et la différenciation, un processus irréversible. Elles ont également révélé une hétérogénéité insoupçonnée entre les différentes variétés de cellules souches. Ce contexte de questionnement conceptuel est propice à l’analyse philosophique, dont les contributions ont déjà permis d’importantes clarifications, notamment autour des propriétés d’auto-renouvellement et de différenciation ou des différentes conceptions des cellules souches. Mais l’efficacité des interventions philosophiques fait sans cesse face aux limites des données disponibles. Partant de ce constat, notre projet STEM combine à l’analyse philosophique des approches phylogénétiques et expérimentales qui, ensemble, permettront une meilleure compréhension des cellules souches.
Une analyse antérieure de la diversité des cellules souches nous a permis de montrer que la propriété souche pouvait être de quatre natures (ontologies) différentes. En fonction des tissus, il peut s’agir d’une propriété de type catégorique (intrinsèque), dispositionnelle (intrinsèque mais dont l’expression dépend de stimuli extrinsèques), relationnelle (extrinsèque, induite par le microenvironnement), systémique (extrinsèque, régulée à l’échelle de la population cellulaire). Cette analyse soulève deux questions qui font l’objet de STEM. (1) La question de l’unité des cellules souches : si la propriété souche peut être de différente nature, cela indique-t-il que la catégorie des cellules souches regroupe artificiellement des types cellulaires fondamentalement différents ? Autrement dit, les cellules souches sont-elles une espèce naturelle ? (2) La question de la stabilité de l’identité souche : les quatre ontologies de la propriété souche sont-elles mutuellement exclusives ou poreuses ? Autrement dit, la nature de la propriété souche est-elle stable pour chaque variété de cellule souche ou bien peut-elle varier dans certains contextes comme en cas de régénération ou de pathologie ? Ces deux questions ont d’importantes conséquences pour la biologie et la médecine dans la mesure où les réponses dirigent vers des programmes de recherches et des stratégies thérapeutiques différentes.
Pour répondre à la question de l’unité des cellules souches, nous utiliserons une approche phylogénétique pour déterminer si les cellules souches ont une origine évolutive commune ou bien si notre classification décrit des types de cellules souches ayant des origines séparées, auquel cas les cellules souches ne peuvent pas appartenir à une espèce naturelle.
Pour répondre à la question de la stabilité, nous utiliserons des approches expérimentales destinées à explorer l’identité souche en contexte de régénération (avec un modèle animal ayant une forte capacité de régénération) et en contexte pathologique (avec un modèle murin de leucémie aigüe induite par une translocation qui permet l’acquisition de propriété souche).
Nous examinerons les conséquences de ces données pour la biologie des cellules souches et ses applications cliniques. Ces résultats expérimentaux et phylogénétiques nous permettront également de poursuivre les travaux engagés par d’autres philosophes, notamment la proposition d’élaboration d’une définition des cellules souches par cluster de propriétés homéostatiques, qui s’étaient trouvées limitées par les données disponibles. Enfin, nous conduirons une réflexion méthodologique sur l’intégration d’approches scientifiques à des fins philosophiques.