Hématopoïèse, cellules souches hématopoïétiques, facteurs de croissance

Introduction.

 

Les cellules du sang: 5 catégories de leucocytes, + des hématies, + des plaquettes ;

 

                                              Durée de vie                         Production par la moelle osseuse

Hématies =  120 j 200 milliards/j
Plaquettes = 7 – 10 j 100 milliards/j
Neutrophiles = 1 - 3 j  50 milliards/j
Monocytes = qq mois                                            
Lymphocytes            = qq mois à plusieurs années  

 

Parmi les eléments figurés du sang, les lymphocytes peuvent se multiplier, les monocytes peuvent se modifier (en histiocytes) et pour partie se multiplier.

 

L’hémogramme, qui définit les valeurs quantitatives et qualitatives des éléments figurés du sang, est stable toute la vie de l’adulte, grâce à un système de production bien régulé : l’hématopoïèse.

 

L’hématopoïèse est l’ensemble des mécanismes impliqués dans la production des diverses cellules sanguines à partir de la cellule souche hématopoïétique, incluant :
  • des structures privilégiées pour la croissance des cellules de l’hématopoïèse, c’est-à-dire un micro environnement spécifique,
  • l’auto-renouvellement des cellules souches de l’hématopoïèse,
  • la différenciation vers l’une ou l’autre des cellules du sang,
  • l’intervention de molécules extracellulaires (facteurs de croissance), intracytoplasmiques (récepteurs et voies de transduction du signal), et intranucléaires (facteurs de transcription et gènes spécifiques).
Utilisant l’expérimentation animale, le génie génétique, et la pathologie humaine, l’hématopoïèse est un domaine en constante évolution.

 

1. Ontogénie de l’hématopoïèse

 

Hématopoïèse primitive

Débute à J21 de la vie embryonnaire,

Dérive du mésoderme du sac vitellin, où se forment des îlots sanguins,

Au sein des îlots sanguins les cellules centrales se différencient en cellules érythroblastiques (nucléées) et les cellules de la périphérie forment les premières cellules endothéliales (= vaisseaux primitifs). 

 

Hématopoïèse définitive

A partir de J28, des cellules souches hématopoïétiques apparaissent dans l’aorte dorsale de la région Aorte-Gonades-Mesonephros, qui iront ensuite coloniser le foie puis la rate.

La cellule souche hématopoïétique est encore imparfaitement caractérisée :

 

  • Soit un progéniteur commun (hémangioblaste), pourrait donner naissance à la fois aux cellules hématopoïétiques et aux cellules endothéliales,
  • Soit les cellules mésodermiques se différencieraient en cellules endothéliales ou en cellules hématopoïétiques,
  • Soit certaines cellules endothéliales donneraient naissance aux cellules hématopoïétiques.

 

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La moelle osseuse (MO) commence à être colonisée vers 4 mois et sera le site exclusif de l'hématopoïèse à la naissance et pour toute la vie (tous les os jusqu’à 4 ans, puis uniquement les os courts et plats : sternum, côtes, bassin, crâne, vertèbres).

 

2. Les compartiments cellulaires de l’hématopoïèse

 

Dans la MO il existe :

 

- diverses cellules souches non hématopoïétiques, pouvant donner naissance à des cellules mésodermiques, endothéliales, et divers types de cellules germinales.

 

- Les cellules souches hématopoïétiques (CSH), qui ont des caractéristiques particulières :

 

                     1. Multipotence = càd qu'elles peuvent donner naissance à toutes les cellules de l'hématopoïèse

                     2. Faible nombre (1 - 4 x 105 cellules mononucléées, dans la MO) ; environ 150 sont sollicitées chaque jour

                     3. Pour la plupart quiescentes (en phase G0), et donc protégées de agressions (radiothérapie, chimiothérapie) pendant quelques semaines

                     4. Capacité d’autorenouvellement.

 

 

On peut les étudier de diverses manières:

 

             Les techniques de cytométrie de flux permettent de les isoler et les quantifier, car elles expriment (ou non) divers Ag :

                        Les CSH les plus primitives (LT-CSH) sont CD133+ CD34- CD38-

                        Les ST-CSH et les progéniteurs de l’hématopoïèse expriment l’antigène CD34 (sialomucine) ;

                        Les CSH les plus primitives sont THy1(CD90)+ CD38- et Lin – (= négatives pour les Ag des lignées lymphoïdes et myéloïdes).

 

              Les techniques de culture in vitro permettent également de les étudier (voir plus loin).

 

 

2.1. Déroulement de l’hématopoïèse.

 

Dans la MO les hémangioblastes peuvent se différencier d’une part en angioblastes puis en cellules endothéliales, et d’autre part en cellules souches hématopoïétiques (CSH).

 

Les CSH se classent en 2 catégories :  LT - CSH : CD133+, CD34- CD 38-  (« Long Term » ou de longue durée)

                                                      Qui se différencient en ST- CSH : CD133+, CD34+ CD 38-  (« Short Term » ou de courte durée)

                                                      Les ST-CSH se différencient en un progéniteur multipotent (MP)

 

Le MP se différencie en 2 types de progéniteurs primitifs :

 

                           progéniteur commun myéloïde (CMP)

et                         progéniteur commun lymphoïde (CLP)

 

 

Chaque type de progéniteur primitif peut ensuite produire des progéniteurs différenciés :

 

La CMP, appelée aussiCFU-GEMM (Colony Forming Unit - Granulocyte – Erythroblast - Megakaryocyte – Monocyte) se différencie en :

 

                                   progéniteur commun granulocytaire monocytaire (CFU –GM ou GMP), ou en  

   ou en                       progéniteur commun mégacaryocytaire érythroblastique (MEP ou Megakaryocyte Erythroid Progenitor).

 

Qui pourront produire des progéniteurs tardifs ou différenciés (CFU-M, CFU-G, BFU-E ou BFU-Mk) ne donnent naissance qu’à une lignée cellulaire, en se différenciant en précurseurs, premières cellules morphologiquement identifiables.

 

La CLP, qui pourra produire le progéniteur des cellules T/NK, le progéniteur des cellules B, et celui des cellules dendritiques

 

Remarque. Pour l’érythropoïèse et la mégacaryopoïèse la différenciation du MEP donne naissance à des BFU (soit E soit Mk) puis respectivement à des CFU-E ou –Mk. Les BFU (Burst Forming Unit) diffèrent des CFU par leur aspect « éclaté » en culture in vitro.

 

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 Orientation irréversible d’un progéniteur vers une lignée : deux théories.

 

- modèle déterministe.

                Des signaux spécifiques extra cellulaires [facteurs de croissance hématopoïétiques (FCH)] influent sur les cellules possédant les récepteurs correspondants. Les divers FCH induisent l’expression de tel ou tel groupe de gènes, ce qui oriente la différenciation.

 

- modèle stochastique ou probabiliste.

                L’orientation vers une lignée est alternative, et non influencée par l'environnement cellulaire. Les FCH joueraient simplement un rôle de survie et de prolifération ultérieure des progéniteurs (s’ils expriment le récepteur correspondant).

 

Remarques.

- On peut réaliser une expansion in vitro des progéniteurs multilignées et monolignées. On peut ainsi obtenir de grandes quantités de progéniteurs, transplantables pour une greffe médullaire ou après chimiothérapie à forte dose.

- Il n'est pas encore possible aujourd'hui de réaliser une expansion in vitro des CSH.

 

 

2.2. Aspects moléculaires de l’hématopoïèse.

 

Une partie des études a été réalisée chez la souris : l’expression de divers gènes, codant pour des facteurs de transcription, des facteurs de croissance ou leurs récepteurs, des micro RNA (miR), puis leur modulation d’expression par divers miR oriente la différenciation cellulaire.

 

La CSH se différencie :

 

- en progéniteur commun lymphoïde-myéloïde (LMP ou MP) sous l'influence du facteur de transcription (FT) PU.1 :

                si la protéine C/EBP alpha [CCAAT / Enhancer-Binding Protein Apha] est exprimée le LMP se différencie en progéniteur granulocytaire-monocytaire (GMP),

                sinon le LMP se différencie en progéniteur commun des lymphocytes (CLP).

 

- en progéniteur commun mégacaryocytaire-érythroïde (MEP) sous l'influence de facteurs de transcription de type GATA-1 et 2 (GATA-binding protein). Ensuite :

                L’hyperexpression maintenue de GATA-2 dans le MEP oriente vers la mégacaryopoïèse,

                L’hyperexpression de GATA-1 dans le MEP, avec intervention d’autres molécules (FOG-1, puis KLF1 ou (Krüppel Like Erythroid Factor) oriente vers l’érythropoïèse.

 

 

2.3. Les précurseurs de l’hématopoïèse = compartiment de maturation.

 

Les divers précurseurs sont reconnaissables par leur morphologie : ce sont les cellules que l’on observe au microscope sur un étalement de MO.

 

Les précurseurs se différencient progressivement : c’est une différenciation / maturation.

 

Dans chaque lignée on observe une amplification du nombre de cellules (= 3 à 5 divisions cellulaires), avec des critères morphologiques propres à chaque stade de maturation, correspondant à l’acquisition progressive des composants spécifiques des cellules effectrices :

                Hématie = hémoglobine pour le transport de l’oxygène

                Neutrophile = granulations (phagocytose)

                Monocyte = phagocytose et intervention dans l’immunité

                Lymphocytes = intervention dans la réponse immune.

                Plaquettes = molécules de membrane et granulations pour l’hémostase

 

Quelques informations complémentaires.

 

                           L'expérience de Till et Mac Culloch (1961) a mis en évidence l’existence de cellules souches hématopoïétiques pluripotentes.

Des souris irradiées létalement (destruction de toute l’hématopoïèse) auxquelles on a ensuite injecté des cellules de MO syngénique ont vu apparaître après quelques jours sur la rate des colonies de cellules des diverses lignées hématopoïétiques, correspondant à la progéniture de cellules individuelles du transplant : elles ont été appelées CFU-S (Colony Forming Unit – Spleen ou unités formant une colonie dans la rate).

Ces CFU-S étaient en fait de 2 types :

CFU-S d12 = produisent des colonies apparaissant à 12 jours et correspondant à des CFU-GEMM,

CFU-S d8 = produisent des colonies apparaissant à 8 jours et correspondant au progéniteur commun mégacaryocytaire-érythroblastique (MEP ou Megakaryocyte Erythroid Progenitor).

 

                            Les techniques de culture in vitro : usage fréquent, mais limité aux laboratoires spécialisés.

Lors de la mise en culture de cellule mononucléées de la moelle osseuse sur milieu artificiel (agarose, méthyl cellulose, collagène), on observe successivement : disparition après quelques jours des cellules déposées (= mort de la plupart des cellules, qui sont des précurseurs et des cellules matures), puis apparition après 8-10 j de quelques colonies (= amas de cellules plus ou moins matures provenant des progéniteurs tardifs), puis après 15- 20 j apparition de colonies originaires de progéniteurs plus précoces.

Plus une colonie met de temps à apparaître, plus elle correspond à un progéniteur précoce et donc moins différencié.

 

3. Stroma et microenvironnement : notion de niche hématopoïétique.

 

Afin de se renouveler, proliférer et se différencier, les CSH vivent dans un environnement constitué de diverses cellules et de protéines matricielles : les constituants de cet environnement interagissent entre eux et avec les CSH et l’ensemble constitue la niche hématopoîétique.

 

 

3.1. La matrice extra cellulaire (MEC).

 

Composée de diverses protéines fibreuses, glycoprotéines et protéoglycannes qui sont produites par les cellules stromales, càd les divers types de collagènes, la fibronectine, la laminine, la thrombospondine, …

 

 

3.2. Les cellules stromales.

 

           Cellules mésenchymateuses

           Cellules réticulaires

           Fibroblastes

           Cellules des sinusoïdes vasculaires : les sinusoïdes vasculaires sont formés d'une couche de cellules endothéliales recouvertes d’une couche discontinue de cellules réticulaires adventicielles ou myofibroblastes allongés

           Adipocytes (dérivés des myofibroblastes),

           Macrophages,

           Lymphocytes.

 

Remarque : les sinusoïdes vasculaires sont des capillaires +/- fenêtrés ; ils rejoignent les veinules. 

 

 

3.3. La présence des cellules stromales est nécessaire à l’hématopoïèse :

 

         Libération de divers facteurs de croissance hématopoïétiques (FCH) par les cellules stromales. Certains de ces FCH peuvent se fixer transitoirement aux protéoglycannes de la MEC (par exemple le GM-CSF se lie à l'héparane sulfate).

         Production de divers composants permettant le maintien de la croissance des CSH : CXCL12, angiopoïétine-1, VCAM-1, KL [la protéine KIT  est récepteur de surface pour le SF (steel factor, ou KIT Ligand, ou SCF) produit par les cellules stromales]

         Contacts entre cellules stromales et CSH.

 

Ces divers mécanismes régulent la prolifération/différenciation ou au contraire la quiescence des CSH.

 

 

3.4. Circulation cellulaire au sein du tissu myéloïde:

 

        Les interactions stroma - cellules hématopoïétiques permettent la circulation des différentes cellules de l'hématopoïèse (immatures et matures) dans le tissu myéloïde ;

 

        Les cellules endothéliales des sinusoïdes jouent un rôle dans la sortie sélective des cellules matures de la MO vers le torrent circulatoire : les cellules matures peuvent traverser le cytoplasme des cellules endothéliales aussi bien que se glisser entre ces cellules ;

        Le « homing » est un mécanisme permettant aux cellules sanguines de quitter le torrent circulatoire et de retourner dans les organes hématopoïétiques (important pour la recolonisation de territoires médullaires irradiés ou aplasiques).

 

Remarques.

 La sélectine L (CD62-L) ou une protéine proche exprimée par le microenvironnement médullaire serait le ligand du CD34, ce qui expliquerait le homing des CSH CD34+ préférentiellement vers la MO, Le contact CD34 – CD62 provoquant ensuite l’intervention d’intégrines (ensemble de molécules hétérodimériques dont la VLA-4 est exprimée sur les CSH et permet le couplage aux cellules stromales ainsi qu'à la fibronectine de la MEC).

[Les sélectines jouent également un rôle important dans le homing des lymphocytes et dans l'adhésion et le roulement des leucocytes sur les cellules endothéliales activées].

 

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4. Facteurs de croissance hématopoïétiques (FCH) et leurs récepteurs.

 

Les divers FC et leurs récepteurs sont des glycoprotéines : les gènes correspondants sont connus, et certains clonés et utilisés pour produire des FCH à usage thérapeutique.

 

 

4.1 Deux catégories de récepteurs des facteurs de croissance :

 

                - récepteurs « tyrosine kinases » = récepteurs dont les parties intracytoplasmiques peuvent se phosphoryler puis induire la cascade de transduction,

                - récepteurs « associés à des tyrosine kinases » = nécessitent l’intervention de molécules sous-membranaires qui seront phosphorylées pour initier la cascade de transduction.

Les voies de transduction du signal vont activer des facteurs de transcription (différents selon le FCH en cause) et induire l’expression de gènes qui provoqueront l’orientation vers telle ou telle lignée.

 

Remarque. En pathologie, il existe des mutations ponctuelles de certains récepteurs, qui deviennent anormaux et constitutivement actifs (ils sont activés sans que la cytokine correspondante soit fixée) [mutation de c-kit dans certains syndromes myéloprolifératifs, anomalies de flt-3 dans des LAM, mutation de la molécule JAK2 associée au récepteur de l’EPO tyrosine kinase]

 

 

4.2. Origine des FCH.

 

- Fibroblastes, cellules endothéliales et macrophages produisent GM-CSF, G-CSF, CSF1 et KL. Ces cellules sont médullaires (= cellules stromales), mais aussi dispersées dans tout l’organisme.

- Les cellules T et les macrophages produisent diverses cytokines au niveau du site de l’inflammation.

- L’EPO: produite par les cellules péritubulaires rénales (et environ 10% par le foie).

- La TPO est produite par le foie (et un peu par le rein)

Plusieurs FCH sont maintenant disponibles sous forme recombinante.

 

 

4.3. Action des FCH sur les cellules de l’hématopoïèse.

 

         Action sur les progéniteurs précoces, peu spécifiques de lignées :

 

                     SCF, Flt3-L, IL-3, famille de l’IL-6 (IL-6, IL-11, LIF, OSM) 

 

         Action plus restreinte, plus tardive :

 

* Pour les granulocytes, les macrophages, ou les mastocytes :

                  - GM-CSF : permet l’orientation vers la production de progéniteurs Granulocytaires / Monocytaires

                  - G-CSF : permet la différenciation vers les neutrophiles

                  - M-CSF : permet la différenciation vers les monocytes

                  - IL-5 : permet la différenciation vers les éosinophiles.

                  - SCF ou KL (Kit ligand) : permet la différenciation mastocytaire.

 

* Pour les mégacaryocytes :

                 Thrombopoïétine (TPO) et son récepteur appelé MPL, présent sur les plaquettes et sur les Mk. La TPO est synthétisée par le foie.

 

* Pour les érythroblastes :

                 Principalement l'érythropoïétine (EPO), synthétisée par les cellules péritubulaires du cortex rénal, sensible à la pression en oxygène du sang [dans les cellules rénales un facteur de transcription oxygène dépendant, inductible par l'hypoxie, contrôle la synthèse de l'EPO].

                 Les proérythroblastes et les CFU-E entrent en apoptose en l'absence d'EPO, qui est donc plutôt un facteur anti-apoptotique.

 

* Pour les cellules lymphoïdes :

               - SCF et IL-7 orientent la différenciation des CS pluripotentes en progéniteur lymphoïde,

               - IL-7 : aide à la différenciation des progéniteurs B (BCP),

               - IL-2, IL-4, IL-7 : aide à la différenciation des progéniteurs T (TCP).

 

 

4.4. Autres éléments intervenant dans l’hématopoïèse

 

Vitamines : notamment B12 et folates

Oligoéléments et minéraux : fer, cuivre, zinc

Acides aminés.

La pression en oxygène est de 4% dans les vaisseaux sanguins et de 1% dans les niches hématopoïétiques : les CSH fonctionnent en hypoxie chronique.

 

 

4.5. Inhibiteurs de l’hématopoïèse.

 

                Plusieurs sont connus, surtout étudiés par leurs effets in vitro.

Pour l’érythropoïèse, des lymphocytes T suppresseurs peuvent agir par contact avec les cellules érythroïdes faisant intervenir des antigènes HLA ou non. Par ailleurs le TNF est une cytokine inhibitrice, impliquée dans l’anémie de l’état inflammatoire.

                Pour la granulopoïèse, divers inhibiteurs produits par les lymphocytes T suppresseurs peuvent induire une neutropénie : IFN (tous types), TNFα, TGF β, MIP 1α (action par l’intermédiaire de récepteurs pro apoptotiques fas-fasL).

 

Conclusion.

 

L’hématopoïèse est un processus complexe, encore imparfaitement compris, souvent issu d’extrapolations de l’animal à l’homme.

Des altérations de l’hématopoïèse peuvent conduire à diverses pathologies, réactionnelles (aplasies) ou malignes (hémopathies).

 

 

Avril 2016

 

Robb J. Cytokine receptors and hematopoietic differentiation. Oncogene 2007;26:6715