Des outils spatiaux avancés cartographient les niches de cellules souches hématopoïétiques

Bles cellules sanguines doivent être continuellement reconstituées et les adultes en bonne santé peuvent compenser jusqu’à des centaines de milliards de nouvelles cellules sanguines chaque jour grâce à l’hématopoïèse.¹ Au cours de ce processus, les cellules souches hématopoïétiques (CSH) de la moelle osseuse produisent des progéniteurs qui reconstituent le pool cellulaire, formant des globules rouges, des globules blancs et des plaquettes.

Dans la moelle osseuse, les CSH se regroupent avec d’autres cellules et facteurs nécessaires au bon maintien de l’hématopoïèse et des CSH, formant ainsi des microenvironnements ou des niches hétérogènes. Comprendre les propriétés des différents niches hématopoïétiques est d’un grand intérêt car les perturbations dans la différenciation des CSH, leur auto-renouvellement ou leur aménagement d’espace peut entraîner des maladies, notamment le cancer.^2,3 Les études sur des modèles animaux ont apporté un certain éclairage sur ces niches, mais comme l’accès aux tissus de la moelle osseuse chez l’homme est invasif et douloureux, on ne savait pas jusqu’à présent dans quelle mesure les données animales s’appliquaient aux humains. Sanjay Patel, pathologiste chez Weill Cornell Medicine, a dirigé une équipe de scientifiques qui ont combiné de nouvelles techniques d’analyse d’images basées sur la coloration des tissus, l’imagerie et l’intelligence artificielle (IA) pour étudier les niches de CSH humaines aux niveaux unicellulaire et spatial. Leurs conclusions, récemment rapportées dans Sangoffrent une nouvelle vision de l’architecture de la moelle osseuse humaine et ouvrent la possibilité d’utiliser cette technique d’imagerie sur d’autres échantillons de tissus biopsiés.⁴

Patel et son équipe ont profité d’échantillons d’archives de moelle osseuse biopsiés à partir des os de la hanche de patients lors d’essais cliniques. Ces morceaux de tissu d’un à deux centimètres de long sont fixés et intégrés dans des blocs de cire avant que les scientifiques n’appliquent de fines tranches sur des lames de microscope pour les colorer et les évaluer. Les anciens échantillons de biopsie sont stockés dans des institutions et des biobanques pendant des années après leur collecte, et ils constituent une ressource inexploitée car il était difficile de colorer et d’analyser plusieurs protéines dans des coupes de tissus fixées au formol et incluses en paraffine. Plutôt que de les laisser prendre la poussière, Patel a exploré la biologie de ces tissus grâce aux progrès technologiques. « J’ai eu ce que je considérais comme une opportunité unique de fusionner mes connaissances sur les tissus hématologiques et mes connaissances des techniques de biologie spatiale, puis de capitaliser sur un domaine en évolution rapide du diagnostic par imagerie basé sur l’IA à des fins médicales », a déclaré Patel.

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Pour comprendre les niches des CSH dans la moelle osseuse saine, l’équipe de Patel a analysé des échantillons provenant de 29 individus d’âges variés dont les biopsies n’ont montré aucun signe de maladie. Les chercheurs ont d’abord coloré les tissus avec six anticorps fluorescents pour marquer les protéines immunitaires et déterminer les types de cellules constitutives. Après avoir visualisé l’intégralité de chaque diapositive, ils ont utilisé un programme d’apprentissage automatique pour analyser plusieurs couches d’informations visuelles, identifiant les signaux présents pixel par pixel. « Ils ont mis au point cette méthode d’IA qui leur permet, de manière non subjective, d’analyser la position des tissus et des cellules dans la moelle osseuse », a déclaré Sandra Pinhochercheur en épigénétique et biologie des cellules souches à l’Université de l’Illinois à Chicago, qui n’a pas participé à cette étude.

Grâce aux informations spatiales détaillées acquises, l’équipe de Patel a découvert que les cellules souches et progénitrices humaines de la moelle osseuse habitaient principalement des régions proches des os et des vaisseaux sanguins, ce qui concordait avec les études précédentes sur les animaux. « J’ai été très agréablement surpris de voir que nos premières découvertes sur la moelle osseuse de la souris ont été reproduites chez l’humain », a déclaré Pinho.

Parce qu’il a utilisé des échantillons de biopsie provenant d’individus d’âges différents, Patel a visualisé comment la moelle osseuse changeait au niveau cellulaire et architectural au fil du temps. Semblable aux études précédentes sur les animaux, l’équipe de Patel a découvert que certaines cellules souches de la moelle osseuse humaine résidaient également à proximité des mégacaryocytes, les grandes cellules qui génèrent les plaquettes. Cependant, le vieillissement semble modifier à la fois les caractéristiques morphologiques de ces cellules et leurs relations spatiales. Les échantillons provenant d’individus plus âgés présentaient des CSH plus grandes et des mégacaryocytes plus petits que ceux des plus jeunes, ainsi que des mégacaryocytes plus petits associés à un nombre de plaquettes plus faible. De plus, il y avait moins de CSH situées à proximité des mégacaryocytes chez les personnes âgées, ce qui suggère un changement dans la niche des mégacaryocytes à mesure que les gens vieillissent. « Peut-être que chez les individus plus âgés, à cause de ces changements morphologiques et spatiaux, cette relation peut être moins importante ou moins active », a déclaré Patel. « Nous avons généré plus de questions que de réponses. »

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Maintenant qu’il dispose de données provenant d’échantillons de moelle osseuse saine, la prochaine étape de Patel consiste à analyser les changements spatiaux dans les tissus malades, en particulier les maladies de la moelle osseuse qui impliquent des perturbations génétiques des CSH telles que le syndrome myélodysplasique chronique et la leucémie aiguë. « La moelle osseuse est un creuset de différentes maladies et pathologies qui peuvent survenir », a déclaré Patel. « Il existe désormais une opportunité d’utiliser ce type de spécimen et de laisser libre cours à votre imagination… Il y a tellement de choses différentes que vous pouvez étudier de cette façon simplement en modifiant les types de cellules d’intérêt que vous essayez d’interroger. »

Les références

1. FliednerTM, et al. Structure et fonction de l’hématopoïèse médullaire : mécanismes de réponse à l’exposition aux rayonnements ionisants. Cancer Biother Radiopharm. 2002;17(4):405-426.
2. Pinho S, Frenette PS. Activité des cellules souches hématopoïétiques et interactions avec la niche. Nat Rev Mol Cell Biol. 2019;20(5):303-320.
3. Bauer M, et coll. Modification de la composition spatiale du répertoire des cellules immunitaires en association avec les blastes CD34+ dans les syndromes myélodysplasiques et la leucémie myéloïde aiguë secondaire. Cancers. 2021;13(2):186.
4. Sarachakov A, et al. La cartographie spatiale de l’hématopoïèse humaine à une résolution unicellulaire révèle un remodelage topographique associé au vieillissement. Sang. 2023;142(26):2282-2295.