Comprendre les cellules îlots de donneurs et leur rôle clinique

Pour les patients atteints de diabète de type 1, la perte de cellules bêta productrices d'insuline transforme une fonction biologique courante en un calcul médical constant. Les taux de glucose dans le sang qui augmentent ou tombent dangereusement peuvent entraîner des complications allant de la neuropathie au coma. Bien que l'insuline exogène reste le niveau de soins, elle ne peut pas reproduire la réactivité en temps réel d'un pancréas sain. La transplantation de cellules îlotaires de donneurs offre quelque chose de fondamentalement différent : des usines d'insuline biologique vivante qui sentent le glucose et libèrent l'insuline précisément les quantités nécessaires.Cette procédure a permis à des milliers de patients d'obtenir l'indépendance de l'insuline, parfois pendant des années à la fois.

Que sont les cellules îlots de donneurs?

Le pancréas, un organe d'environ six pouces de long situé derrière l'estomac, effectue deux tâches distinctes. Son tissu exocrin produit des enzymes digestives, tandis que son tissu endocrinien, les îlots de Langerhans, produit des hormones qui régulent le métabolisme. Bien que représentant seulement 1 à 2 pour cent de la masse totale du pancréas, les îlots sont densément remplis de cellules spécialisées qui travaillent de concert pour maintenir l'homéostasie du glucose.

Chaque îlot est un micro-organisme contenant plusieurs types de cellules ayant des fonctions distinctes:

  • Les cellules de la Béta constituent 50 à 70 pour cent des cellules îlotaires et sont la seule source d'insuline dans le corps. Elles sentent le taux de glucose sanguin et libèrent l'insuline dans un schéma biphasique : une première phase rapide en quelques minutes d'un repas, suivie d'une seconde phase soutenue qui se poursuit jusqu'à ce que le glucose revienne à l'inclusion.
  • Les cellules alpha produisent du glucagon, l'hormone contre-régulatrice qui augmente la glycémie en stimulant la dégradation du glycogène dans le foie.
  • Les cellules de Delta sécrètent la somatostatine, qui agit localement pour moduler la libération de l'insuline et du glucagon, fournissant un réglage fin dans le microenvironnement de l'îlot.
  • Les cellules de PP produisent un polypeptide pancréatique, une hormone impliquée dans la régulation de l'appétit et la fonction digestive.

Dans le diabète de type 1, le système immunitaire identifie par erreur les cellules bêta comme étrangères et les détruit par une combinaison d'auto-anticorps et de cellules T cytotoxiques. Une fois que 80 à 90 % des cellules bêta sont perdues, la régulation de la glycémie échoue. Les patients deviennent dépendants de l'insuline exogène pour leur survie. La transplantation d'Islet remplace ces cellules perdues par des cellules bêta saines d'un donneur décédé, rétablissant ainsi la capacité de l'organisme à produire de l'insuline en réponse aux fluctuations du glucose.

Le processus d'isolement de l'île

La transplantation d'un pancréas entier est une option, mais c'est une intervention chirurgicale majeure avec des risques importants. La transplantation d'îlots, par contre, est une perfusion minimalement invasive. Cependant, l'extraction d'îlots du pancréas est un processus techniquement exigeant qui doit être complété dans des délais serrés.

La procédure commence par récupération du pancréas[. Le pancréas donneur est enlevé chirurgicalement et transporté dans une installation d'isolement certifiée des îlots. L'ischémie froide – le temps entre la récupération des organes et l'isolement – doit être maintenu sous 8 à 10 heures pour maintenir la viabilité des îlots. Le pancréas est perfusé avec une solution de conservation du froid et expédié dans un contenant stérile.

Dans l'installation d'isolement, le pancréas subit une digestion enzymatique. La collagénase et la protéase neutre sont infusées par le canal pancréatique pour décomposer la matrice extracellulaire qui retient les îlots dans le tissu exocrin. Cette digestion est surveillée avec soin au microscope; si elle progresse trop loin, les îlots eux-mêmes sont endommagés, mais s'ils sont insuffisants, les îlots restent piégés dans le tissu environnant. Le processus de digestion prend environ 15 à 30 minutes et est arrêté par dilution et refroidissement une fois les îlots libres.

Le digestant qui en résulte contient un mélange d'îlots, de cellules exocrines et de débris. La purification est obtenue par centrifugation à gradient de densité. Le digesteur est stratifié sur un gradient de densité variable (généralement en utilisant Ficoll ou iodixanol) et filé à grande vitesse. Les îlots, moins denses que les cellules exocrines, se collectent à une interface spécifique et peuvent être récoltés avec une pureté élevée.

Après purification, la préparation de l'îlot subit une évaluation rigoureuse de la qualité . Les techniciens comptent les îlots et convertissent le nombre en équivalents îlots (IEQ), une unité normalisée qui se normalise pour la taille des îlots. La viabilité est évaluée à l'aide de colorants fluorescents qui distinguent les cellules vivantes des cellules mortes; une viabilité d'au moins 70 pour cent est généralement requise.

Le processus complet de récupération du pancréas jusqu'à la libération finale du produit prend 6 à 12 heures, et le produit final est une suspension cellulaire contenant 250 000 à 1 000 000 de QIE, selon les caractéristiques du donneur et l'efficacité de l'isolement.

Le processus critique de jumelage

L'appariement des cellules d'îlots donneurs à un receveur implique une évaluation de compatibilité multicouches qui diffère significativement de la transplantation d'organes solides.Comme les îlots sont transplantés comme une greffe cellulaire, le système immunitaire les rencontre dans un contexte unique. Le foie, où les îlots sont généralement infusés, est un organe immunologiquement actif, et l'interaction immédiate entre les cellules d'un donneur et les cellules immunitaires receveurs peut déterminer si le greffon survit ou est détruit.

Compatibilité du type de sang ABO

La condition la plus fondamentale est la compatibilité ABO. Les îlots donneurs transportent des antigènes de groupe sanguin à leur surface, et les anticorps préexistants du receveur contre les antigènes incompatibles peuvent déclencher un rejet hyperaigu en quelques minutes. C'est le même principe qui régit la transfusion sanguine et la transplantation d'organes solides. Un receveur de type O peut recevoir seulement des îlots de type O, tandis qu'un receveur de type A peut recevoir des îlots de type A ou de type O. Les receveurs de type B et de type AB suivent des règles analogues.

Correspondance HLA

Les molécules de HLA sont des protéines de surface cellulaire qui présentent des fragments d'antigène aux cellules T, ce qui permet au système immunitaire de se distinguer de lui-même. Les locus clés sont HLA-A, HLA-B et HLA-DR. Chaque personne hérite de deux copies de chaque gène (un de chaque parent), ce qui donne jusqu'à six antigènes pouvant être dactylographiés.

Les données du registre du Registre collaboratif des greffes d'îlots (CIR) montrent qu'un plus grand nombre d'allumettes HLA sont corrélées à de meilleurs taux d'indépendance de l'insuline. Cependant, l'appariement HLA dans la transplantation d'îlots est moins rigoureux que dans la transplantation de reins ou de moelle osseuse.

La raison d'être de ce programme est pragmatique. Le bassin de donneurs pour l'isolement des îlots est déjà très limité. L'exigence d'un équivalence HLA parfaite exclurait la majorité des bénéficiaires potentiels et n'améliorerait pas nécessairement les résultats suffisamment pour justifier l'augmentation du temps d'attente.

Correspondance entre le donneur et le bénéficiaire

La dose d'Islet est exprimée en équivalents îlots par kilogramme de poids corporel receveur (IEQ/kg). La dose cible pour atteindre l'indépendance de l'insuline est d'au moins 5 000 IEQ/kg, bien que certains centres visent 10 000 IEQ/kg ou plus. Pour un receveur de 70 kg, 5 000 IEQ/kg se traduisent par 350 000 IEQ d'un seul donneur.

Les donneurs âgés de 20 à 50 ans ont tendance à donner le plus d'îlots. Ceux qui ont un IMC en surpoids (25 à 30) ont souvent des pancréas plus grands avec plus de masse d'îlots, mais les donneurs qui ont une obésité (IMC de plus de 35 ans) sont associés à une fonction d'îlot réduite et à un risque plus élevé d'échec d'isolement. Les donneurs qui ont une stéatose (infiltration grasse du pancréas) sont également moins idéaux.

Sensibilisation des bénéficiaires

Les patients ayant déjà subi des transplantations, des transfusions sanguines ou des grossesses peuvent avoir des anticorps anti-HLA préformés. Ces anticorps sont détectés par un test d'anticorps réactifs (APR) de panel, qui mesure le pourcentage d'antigènes-doseurs contre lesquels les anticorps du receveur réagissent.

Pour les receveurs sensibilisés, le processus d'appariement devient plus complexe. L'équipe de transplantation doit identifier les antigènes HLA spécifiques contre lesquels le receveur a des anticorps et exclure les donneurs qui transportent ces antigènes. La comparaison virtuelle – une prédiction de compatibilité par ordinateur à l'aide de données de typage et de spécificité des anticorps HLA – est devenue un outil standard à cette fin.

Facteurs supplémentaires de correspondance

Au-delà des facteurs de compatibilité fondamentaux, plusieurs autres considérations influent sur la décision d'appariement :

  • Urgence de besoin – Les patients atteints de diabète fragile, d'hypoglycémie sévère récurrente ou d'hypoglycémie sont prioritaires.Ces patients sont confrontés à des événements mettant leur vie en danger et ont le plus à gagner de la transplantation.
  • Temps d'attente – Les systèmes d'allocation tiennent compte de la durée de la liste d'attente, les attentes étant de plus en plus prioritaires.
  • Proximité géographique – Le temps d'ischémie froide de l'îlot est limité à 8 à 10 heures. Le donneur et le receveur doivent être à une distance qui permet le transport des îlots isolés vers le centre de transplantation dans cette fenêtre. Cette contrainte signifie que les patients près des centres d'isolement des îlots majeurs ont un meilleur accès.
  • Dépistage de la santé des donneurs – Les donneurs sont testés pour des maladies infectieuses (VIH, hépatite B et C, cytomégalovirus, virus Epstein-Barr), des infections actives, un risque de cancer et des conditions métaboliques.

Prévention de l'immunosuppression et du rejet

Même avec une correspondance optimale, le système immunitaire du receveur reconnaîtra les îlots de donneur comme étrangers. La prévention du rejet nécessite une immunosuppression à vie, et le régime utilisé dans la transplantation des îlots diffère de celui utilisé pour les organes solides.Les caractéristiques uniques des greffes d'îlots – elles sont cellulaires plutôt que vasculaires, elles sont infusées dans la veine porte, et elles sont sensibles au rejet alloimmun et à l'auto-immunité récurrente – exigent une approche adaptée.

Le Protocole d'Edmonton

Avant 2000, la transplantation d'îlots n'avait eu que peu de succès, avec seulement 10 % des patients ayant obtenu l'indépendance en insuline, ce qui a changé avec l'introduction du protocole d'Edmonton à l'Université de l'Alberta.

  • Sirolimus (ragamycine) – Un inhibiteur mTOR qui bloque la prolifération des cellules T en interférant avec la signalisation interleukine-2.
  • Tacrolimus – Un inhibiteur de la calcinévrine qui supprime la production de cytokine dans les cellules T.
  • Daclizumab – Un anticorps monoclonal contre la chaîne alpha du récepteur IL-2, utilisé comme traitement d'induction pour épuiser les cellules T activées au moment de la transplantation.

Le protocole d'Edmonton a permis d'obtenir l'indépendance en insuline chez plus de 80 % des patients à un an, ce qui représente une amélioration spectaculaire. Cependant, un suivi à long terme a révélé des défis : la fonction des îlots a diminué au fil du temps, et de nombreux patients ont subi des effets secondaires des médicaments immunosuppresseurs, y compris des ulcères de la bouche, la diarrhée, l'œdème et la néphrotoxicité.

Encapsulation et évacuation immunitaire

La nécessité d'une immunosuppression tout au long de la vie est un obstacle majeur à l'adoption plus large de la transplantation d'îlots. Les médicaments augmentent le risque d'infection, de malignité et de toxicité pour les organes, et ils sont mal tolérés par certains patients.

Le principe est simple : enfermer les îlots dans une membrane semi-perméable qui permet au glucose et à l'insuline de passer librement mais bloque les cellules immunitaires et les grands anticorps.

  • Macroencapsulation[ – Un dispositif plus grand, qui ressemble souvent à une poche ou un disque plat, qui peut être placé sous la peau ou dans la cavité péritonéale. L'appareil abrite des milliers d'îlots et est conçu pour être récupéré si nécessaire. Le dispositif de macroencapsulation le plus avancé, de ViaCyte (maintenant partie de Vertex Pharmaceuticals), a été testé dans des essais cliniques et a démontré qu'il soutient la survie des îlots, bien que le nombre de cellules fonctionnelles ait été limité.
  • Microencapsulation – Chaque îlot est enduit individuellement dans une fine couche d'alginate, un polymère biocompatible dérivé d'algues. Les microcapsules (habituellement de 300 à 500 micromètres de diamètre) fournissent un rapport surface-volume élevé pour une diffusion efficace.
  • Encapsulation par couche[ – Revêtements nanométriques appliqués à la surface de l'îlot en utilisant des couches alternées de polymères chargés. Cette approche permet un contrôle précis de l'épaisseur et de la perméabilité du revêtement et minimise la distance de diffusion.

Les principaux défis auxquels l'encapsulation est confrontée sont l'apport en oxygène, la fibrose (la réponse du corps étranger qui enrobe la capsule de tissu cicatriciel) et la durabilité du matériau de revêtement. Les îlots ont une forte demande métabolique et nécessitent des concentrations d'oxygène plus élevées que celles de la plupart des sites d'implantation.

Défis limitant l'application plus large

Malgré les succès de la transplantation d'îlots, le domaine est confronté à des obstacles considérables qui l'empêchent de devenir un traitement général pour le diabète de type 1.

Manque de donneur

Aux États-Unis, environ 1,5 million de personnes vivent avec un diabète de type 1, mais moins de 2 000 donneurs décédés par an sont aptes à l'isolement des îlots. Beaucoup de pancréas sont jetés parce que le donneur est trop jeune (moins de 10 ans) ou trop âgé (plus de 60 ans), a un IMC élevé, a une ischémie froide prolongée ou a des problèmes de santé sous-jacents tels que la pancréatite.

Cette pénurie a stimulé les efforts pour trouver d'autres sources de cellules. Si un approvisionnement fiable et illimité de cellules d'îlots fonctionnels pouvait être produit, la pénurie de donneurs deviendrait une note de bas de page historique plutôt qu'une contrainte déterminante.

Durabilité à long terme des Graft

Même lorsque la transplantation réussit, la fonction des îlots tend à diminuer au fil du temps. Les données du registre de transplantation collaborative de l'Islet indiquent que 50 à 70 % des receveurs demeurent insulinodépendants à un an, mais que ce nombre tombe à 30 à 50 % à cinq ans.

Les raisons de ce déclin sont multifactorielles. Le rejet alloimmun chronique peut se produire même avec immunosuppression. L'auto-immunité récurrente peut cibler les cellules bêta transplantées. Les médicaments immunosuppresseurs, en particulier les inhibiteurs de la calcinévrine comme le tacrolimus, ont des effets toxiques directs sur les cellules bêta et peuvent altérer la sécrétion d'insuline. La forte demande métabolique mise sur une masse limitée d'îlots peut entraîner l'épuisement des cellules bêta et l'apoptose.

Orientations futures et technologies émergentes

Plusieurs lignes convergentes de recherche promettent de surmonter les limites de la transplantation d'îlots donneurs et de transformer potentiellement le traitement du diabète de type 1.

îlots à cellules souches

En 2014, des chercheurs de l'Université Harvard, sous la direction de Douglas Melton, ont publié une étude historique montrant que les cellules souches embryonnaires humaines pouvaient être guidées par une série d'étapes de différenciation pour devenir des cellules bêta fonctionnelles sécrétées par l'insuline en réponse au glucose. Le protocole a récapitulé les stades normaux de développement de la formation pancréatique, ce qui a donné lieu à des cellules qui exprimaient des marqueurs bêta-cellulaires clés et qui présentaient une sécrétion d'insuline stimulée par le glucose in vitro et in vivo.

Depuis, plusieurs entreprises ont avancé des îlots de cellules souches vers une utilisation clinique. Vertex Pharmaceuticals a lancé des essais cliniques avec VX-880, un produit dérivé de cellules souches allogéniques qui sont différenciées en cellules d'îlots entièrement matures. Les premiers résultats ont été remarquables: le premier patient traité a obtenu l'indépendance de l'insuline après une seule perfusion, avec une production robuste de peptides C et un excellent contrôle glycémique.

Vertex développe également VX-264, qui combine des îlots dérivés de cellules souches avec un dispositif d'encapsulation pour éliminer le besoin d'immunosuppression. Ce produit est dans les essais cliniques plus tôt. Si le traitement peut être réussi, il pourrait représenter une thérapie transformatrice disponible pour tout patient diabétique de type 1, indépendamment de la disponibilité du donneur.

Les avantages des îlots dérivés des cellules souches sont importants. Ils peuvent être produits en quantités illimitées et de qualité constante. Ils peuvent être conçus pour réduire ou éliminer l'immunogénicité. Ils peuvent être normalisés pour s'assurer que chaque dose contient un nombre défini de cellules fonctionnelles. Le défi demeure de démontrer la sécurité et l'efficacité à long terme, en particulier en ce qui concerne le risque de formation de tératomes (à partir de cellules non différenciées résiduelles) et la durabilité de la fonction.

Éditer les gènes et les cellules donatrices universelles

Le CRISPR-Cas9 et d'autres outils d'édition de gènes sont appliqués aux îlots donneurs et aux îlots dérivés des cellules souches pour réduire l'immunogénicité. L'objectif est de créer des cellules donneurs universelles qui peuvent être transplantées dans n'importe quel receveur sans déclencher une réponse immunitaire.

  • Le knockout des molécules HLA – L'élimination des molécules HLA de classe I et de classe II empêche la reconnaissance des cellules T. Cependant, cela rend aussi les cellules vulnérables aux cellules tueurs naturelles (NK), qui reconnaissent les cellules manquantes de HLA.
  • L'expression de molécules de cache-immunité – CD47, une protéine de surface cellulaire qui signale « ne me mangez pas » aux macrophages, peut être surexprimée pour protéger le greffon de la destruction immunitaire innée.
  • L'insertion de transgènes protecteurs – Des gènes qui confèrent une résistance aux cytokines inflammatoires (tels que les antagonistes des récepteurs IL-1 ou les protéines anti-apoptotiques) peuvent être introduits pour aider les îlots à survivre à l'environnement de transplantation hostile.
  • Illets hypoimmune – Certains groupes ont conçu des îlots qui simultanément écrasent les classes I et II de HLA, expriment HLA-E (qui inhibe les cellules NK) et surexpressent CD47.

La combinaison de la technologie des cellules souches et de l'édition génétique promet de créer des îlots de donneurs universels, qui peuvent être transplantés dans n'importe quel patient sans rejet, ce qui éliminerait à la fois la pénurie de donneurs et le besoin d'immunosuppression, en résolvant les deux plus gros problèmes sur le terrain.

Sites de transplantation de remplacement

Le foie est le site standard pour la perfusion d'îlots depuis le développement du Protocole d'Edmonton. La veine porte est accessible par une procédure de cathéter minimalement invasive, et le foie fournit un environnement de soutien pour l'engressissement d'îlots. Cependant, le foie est loin d'être idéal. La tension d'oxygène dans les sinusoïdes du foie est relativement faible, ce qui peut contribuer à l'hypoxie des îlots et à la mort cellulaire. Le foie expose également les îlots à des concentrations élevées de médicaments immunosuppresseurs et au métabolisme de premier passage des médicaments oraux.

Les chercheurs explorent d'autres sites de transplantation qui pourraient offrir de meilleures conditions de survie et de fonctionnement des îlots :

  • L'omentum – L'omentum, une membrane graisseuse de l'abdomen, est apparu comme un candidat de premier plan. Il est hautement vasculaire, peut être consulté laparoscopiquement, et permet de récupérer si nécessaire. Les îlots peuvent être semés sur un échafaud biodégradable et placés sur l'omentum, où ils engressent et deviennent vasculaires.
  • L'espace sous-cutané – L'implantation sous-cutanée est l'option la moins invasive, mais le site a une réserve de sang limitée et est sujet à la fibrose.
  • Caisse antérieure de l'œil – La chambre antérieure de l'œil est un site immunisé privilégié avec une tension d'oxygène élevée et une surveillance visuelle facile du greffon. On peut observer les îlots transplantés dans la chambre antérieure en utilisant la microscopie, fournissant une fenêtre sur la fonction greffon.Cette approche est encore expérimentale mais offre des avantages uniques pour la recherche et potentiellement pour l'utilisation clinique.
  • Mydes osseuses – La moelle osseuse est un autre site immuno-privilégié qui a été utilisé expérimentalement. Les îlots infusés dans la moelle osseuse ont montré une greffe et une fonction chez les modèles animaux.

Le site idéal de transplantation permettrait une forte tension d'oxygène, un accès facile à l'implantation et à la surveillance, une protection contre les attaques immunitaires et la capacité de récupérer le greffon si nécessaire.

Résultats cliniques et ce que les patients peuvent attendre

Pour les patients qui envisagent une transplantation d'îlots, des attentes réalistes sont essentielles. La procédure ne guérit pas le diabète de type 1, mais elle peut améliorer considérablement le contrôle glycémique et la qualité de vie.Les meilleurs résultats sont observés chez les patients qui reçoivent une dose d'îlots adéquate (au moins 5 000 IEQ/kg), qui ont une bonne adéquation HLA et qui adhèrent à leur régime immunosuppresseur.

Même chez les patients qui n'ont pas atteint l'indépendance complète de l'insuline, la plupart des patients ont une réduction significative de la fréquence et de la sévérité de l'hypoglycémie. Les taux d'hémoglobine glyquée (HbA1c) s'améliorent généralement et les patients signalent une amélioration de la qualité de vie, une réduction de la détresse liée au diabète et une plus grande liberté dans les activités quotidiennes.

Cependant, la transplantation d'îlots n'est pas sans risques. La procédure de perfusion peut causer des saignements, une thrombose veineuse portale et une élévation des enzymes hépatiques. L'immunosuppression comporte des risques d'infection, de malignité et d'effets secondaires spécifiques au médicament. Et la durabilité à long terme du greffon reste limitée, la plupart des patients recommençant à utiliser de l'insuline.

Conclusion

La transplantation de cellules îlotaires de donneurs représente l'un des progrès les plus importants dans le traitement du diabète de type 1 au cours des deux dernières décennies. La procédure a rétabli l'indépendance de l'insuline et a considérablement amélioré la vie de milliers de patients. Le processus d'appariement – qui englobe le type de sang, la compatibilité avec les LH, la dose d'îlots et la sensibilisation des receveurs – est un système soigneusement étalonné conçu pour maximiser la survie du greffon dans les limites d'un bassin de donneurs très limité.

L'avenir de la transplantation d'îlots se situe dans trois technologies convergentes : la biologie des cellules souches, l'édition des gènes et l'encapsulation. La capacité de générer des quantités illimitées de cellules d'îlots fonctionnels à partir de cellules souches, combinée à l'ingénierie génétique pour les rendre invisibles au système immunitaire, pourrait produire un produit hors-sol disponible à tout patient sans avoir besoin d'immunosuppression.Les essais cliniques sont déjà en cours et les premiers résultats sont prometteurs.

Pour plus de détails, l'Institut national du diabète et des maladies digestives et rénales fournit des informations complètes sur les patients. Le Registre international des transplantations d'îlots suit les résultats globaux et les données cliniques.Les essais cliniques actuels peuvent être explorés par ClinicalTrials.gov.Pour ceux qui s'intéressent à la recherche sur les cellules souches, le JDRF[ offre des mises à jour sur les derniers développements en matière de thérapie de remplacement des cellules bêta.