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HEMATOPOIESE - FACTEURS DE CROISSANCE HEMATOPOIETIQUES

INTRODUCTION

L'HEMATOPOIESE

LES CELLULES HEMATOPOIETIQUES

LA REGULATION DE L'HEMATOPOIESE

u Les facteurs de croissance

j Les facteurs de régulation positive

è Les CSF

Ä IL3

Ä GM-CSF

Ä G-CSF

Ä M-CSF

Ä EPO

Ä TPO

Ä IL5

è Les facteurs synergiques

Ä IL1

Ä IL6

Ä LIF

Ä SCF

k Les facteurs de régulation négative

Ä TGF b

Ä TNF a

Ä Séraspénide

Ä MIP a

v Le micro-environnement

APPLICATIONS CLINIQUES

APPLICATIONS CLINIQUES ACTUELLES

Œ Cytopénies induites par chimiothérapie conventionnelle

Greffes de moëlle

Ž Leucémies myéloïdes et myélodysplasies

Aplasies médullaires

Neutropénies constitutionnelles

' Infection VIH

APPLICATIONS CLINIQUES FUTURES

Œ EPO

TPO

Ž Autres

CONCLUSION : CONSENSUS

HEMATOPOIESE - FACTEURS DE CROISSANCE HEMATOPOIETIQUES

INTRODUCTION

L'hématopoïèse peut être définie comme l'ensemble des mécanismes qui assure le remplacement continu et régulé des différentes cellules sanguines. Il s'agit d'un système cellulaire complexe qui aboutit à ajuster très précisément la production cellulaire aux conditions de base et aux différentes agressions extérieures de l'organisme (infections, hémorragies..)

Les cellules sanguines comportent 8 lignées différentes : les globules rouges, les polynucléaires neutrophiles éosinophiles et basophiles, les monocytes, les lymphocytes B et T et les plaquettes. Certaines cellules dans le sang, comme les lymphocytes, les monocytes, les polynucléaires éosinophiles et basophiles, sont uniquement en transit de la moëlle osseuse vers les tissus.

Malgré des capacités de prolifération nulles ou très faibles (monocytes, éosinophiles), et une durée de vie limitée (GR : 120 jours, plaquettes : 7 jours, polynucléaires : 24 heures), leur nombre reste constant, nécessitant leur remplacement perpétuel. Chaque heure sont ainsi produits 1.10¹⁰ hématies et 4.10⁸ leucocytes.

HEMATOPOIESE

LES CELLULES HEMATOPOIETIQUES

L'hématopoïèse embryonnaire est extramédullaire de la 3° à la 20° semaine de développement, d'abord localisée dans la vésicule vitelline puis dans le foie. Cette dernière débute à la 5° semaine de développement et est essentiellement orientée au cours du premier trimestre vers l'érythropoïèse (90% des cellules hématopoïétiques matures du foie fœtal sont des érythroblastes). Ce n'est qu'à partir de la 15° semaine de développement que la moëlle osseuse prend le relais du foie fœtal et devient hématopoïétique. Ainsi l'hématopoïèse chez l'homme adulte a-t-elle lieu dans la moëlle osseuse au niveau des cavités osseuses (sternum, côtes, vertèbres, sacrum, os longs).

Il paraît peu probable qu'existe dans la moëlle un nombre fini de cellules immatures, acquis définitivement à la naissance, et qui progressivement entreraient en différenciation pour finalement disparaître. L'hypothèse la plus vraisemblable est celle de l'existence de cellules souches hématopoïétiques, cellules capables à la fois de se différencier et de s'autorenouveler, ce qui permet le maintien d'une réserve constante.

Schématiquement peuvent être définis 3 compartiments cellulaires :

- les cellules souches pluripotentes, cellules très primitives ayant un haut pouvoir de prolifération, capables d'autorenouvellement et de différenciation vers toutes les lignées hématopoïétiques.

- les progéniteurs, capables de proliférer sans s'autorenouveler et de se différencier. Ces cellules sont habituellement déterminées et déjà engagées vers une seule lignée cellulaire : BFU-E et CFU-E pour la lignée érythroblastique, BFU-Meg et CFU-Meg pour la lignée mégacaryocytaire, CFU-M pour la lignée granulo-monocytaire, progéniteurs B et T pour les lymphocytes B et T.

- les précurseurs, cellules déjà reconnaissables morphologiquement, correspondant à des cellules en cours de maturation avant leur passage dans la circulation sanguine.

REGULATION DE L'HEMATOPOIESE

Elle doit être parfaitement contrôlée afin que chaque élément figuré du sang soit produit en quantité et en temps voulus. Les dernières décennies ont permis d'appréhender ce problème de la régulation de l'hématopoïèse, grâce à une meilleure connaissance des techniques de culture in vitro. Si la complexité des interactions entre les cellules hématopoïétiques et les composants du microenvironnement sont loin d'être actuellement entièrement connues, on sait que les cellules stromales (fibroblastes, cellules endothéliales, adipocytes) produisent la plupart des molécules nécessaires au développement des cellules hématopoïétiques.

Schématiquement, on peut diviser les éléments régulateurs de l'hématopoïèse en 2 grandes catégories :

- les facteurs de croissance.

- le microenvironnement.

u Les facteurs de croissance

Ils ont été initialement identifiés, au début des années 70, comme des facteurs nécessaires au développement des cultures de cellules hématopoïétiques. Actuellement, au moins 30 facteurs ont été identifiés, leur composition biochimique analysée, leur gène cloné.

Ce sont des glycoprotéines, actifs à de très faibles concentrations de l'ordre de la nM ou de la pM. Ils peuvent tous, à quelques exceptions près (érythropoïétine), être produits par différents types cellulaires.

Ils peuvent être divisés en 2 grands groupes principaux :

- les facteurs de régulation positive.

- les facteurs de régulation négative.

j Les facteurs de régulation positive

Ils sont eux-mêmes de 2 grands types :

- les CSF (Colony Stimulating Factors) capables de donner des colonies de cellules hématopoïétiques. Certaines de ces molécules agissent sur des progéniteurs précoces et ne sont pas spécifiques d'une lignée donnée (GM-CSF, IL3). D'autres ont une action restreinte à une lignée donnée et sont nécessaires à l'acquisition des caractères de différenciation spécifiques des cellules matures (érythropoïétine, IL5)

- Les facteurs synergiques qui ne sont pas des CSF pour les précurseurs hématopoïétiques mais seraient indispensables pour mettre en cycle les cellules hématopoïétiques primitives.

è Les CSF

Ä L'IL3 (Interleukine 3) : elle agit sur les temps précoces de presque toutes les lignées hématopoïétiques à l'exception peut-être de la lignée B. Elle est capable d'entraîner la formation de colonies de neutrophiles, de monocytes/macrophages, de mégacaryocytes. Mais il faut lui associer de l'érythropoïétine pour obtenir une stimulation maximale de la formation de colonies érythroïdes.

Ä Le GM-CSF (Granulocyte Macrophage-Colony Stimulating Factor). Son action est très proche de celle de l'IL3 avec une activité sur la plupart des progéniteurs et sur les cellules matures des lignées granulomonocytaires et éosinophiles. Non seulement il active la multiplication cellulaire, mais encore il favorise l'acquisition des fonctions de ces cellules (phagocytose, adhésion...)

Ä Le G-CSF (Granulocyte Colony Stimulating Factor). C'est un facteur essentiellement actif sur la lignée granuleuse, y compris sur les cellules les plus matures.

Ä Le M-CSF (Macrophage Colony Stimulating Factor) seul n'a pratiquement aucune activité CSF. Il semble avoir besoin de GM-CSF à très faible concentration pour être stimulant. Il semble constituer le facteur de régulation de tout le système des phagocytes mononucléés (facteur de survie et d'activation des monocytes et des macrophages)

Ä L'EPO (Erythropoïétine), contrairement aux autres facteurs de croissance, est synthétisée par des cellules très spécialisées au niveau du rein et du foie. Elle constitue le facteur spécifique de la lignée érythroïde, agissant tardivement au cours de la différenciation érythroïde.

Ä La TPO (Thrombopoïétine) possède les propriétés d'un facteur de croissance stimulant les progéniteurs mégacaryocytaires et agissant sur la maturation de ces cellules en faisant produire des plaquettes.

Ä L'IL5 (Interleukine 5) entraîne spécifiquement la différenciation des éosinophiles et agit sur les polynucléaires éosinophiles matures dont il augmente la survie et les fonctions.

è Les facteurs synergiques

Ä L'IL1 (Interleukine 1) semble agir à un temps plus précoce que l'IL3 mais de manière très brève, son action devant être relayée par d'autres facteurs (M-CSF, IL3, GM-CSF...)

Ä L'IL6 (Interleukine 6) a une action sur les temps précoces de l'hématopoïèse, en synergie avec l'IL3 et le GM-CSF, sur la plupart des progéniteurs hématopoïétiques. Son action paraît cependant plus longue, dépassant même le système hématopoïétique et immunitaire.

Ä Le LIF (Leukemia Inhibitory Factor) a une action très proche de l'IL6, aussi bien sur l'hématopoïèse qu'en dehors du système hématopoïétique.

Ä Le SCF (Stem Cell Factor) est capable d'une action synergique avec tous les facteurs de croissance hématopoïétiques mais pas avec le M-CSF. Il a une action très nette sur les temps précoces de l'hématopoïèse, en synergie avec l'IL3.

Ä De nombreuses autres interleukines, enfin (IL4, IL7, IL11, IL12...) ont été décrites et dont le rôle, comme celui des précédentes, est encore largement en cours d'exploration.

‚ Les facteurs de régulation négative

La régulation négative de l'hématopoïèse reste mal connue. Les résultats issus des expériences in vitro doivent être interprétés avec une grande prudence, des actions très différentes pouvant en effet apparaître en fonction du système de culture utilisé.

Plusieurs facteurs ayant une fonction de régulation négative ont cependant été caractérisés. Parmi ceux-ci :

Ä Le TGF b (Transforming Growth Factor b ) est un inhibiteur de l'entrée en cycle cellulaire des progéniteurs primitifs et un inhibiteur puissant de la mégacaryopoïèse. Néanmoins, son action est variable en fonction de l'état de différenciation des cellules et de l'interaction avec d'autres cytokines.

Ä Le TNF a (Tumour Necrosis Factor a ) agit en fait de manière différente (action inhibitrice ou stimulante) suivant les facteurs de croissance utilisés en culture pour stimuler leur prolifération.

Ä L'AcSDKP (Séraspénide) a un effet inhibiteur sur la mise en cycle des cellules hématopoïétiques au stade de progéniteurs et à un stade différenciation plus tardive. Cet effet paraît direct, dose-dépendant et réversible.

Ä Le MIP 1a (Macrophage-Inflammatory Protein 1a ) ne limite pas son action au tissu hématopoïétique et se trouve impliqué dans de nombreux processus inflammatoires. Il a des effets complexes, inhibant les progéniteurs les plus immatures stimulés par plusieurs cytokines et stimulant les progéniteurs les plus matures ne répondant qu'à une cytokine.

L'ensemble de ces molécules est encore en cours d'exploration et leur action reste la plupart du temps très complexe et interdépendante les unes des autres. On sait néanmoins d'ores et déjà que certaines de ces cytokines ont un effet inhibiteur sur les cellules hématopoïétiques normales et les cellules leucémiques ( Le TGF b , par exemple, inhibe les progéniteurs des LMC et les blastes des LAM) tandis que d'autres (Séraspénide, MIP 1a ) n'ont pas d'action sur la prolifération des cellules leucémiques aux doses efficaces sur les cellules normales. Cet effet différentiel suscite pour l'avenir un certain nombre d'espoirs sur lesquels nous reviendrons plus loin.

v Le micro-environnement

Il constitue le cadre dans lequel se développent les cellules hématopoïétiques. Son rôle a notamment pu être précisé à partir des modèles animaux. Il est formé :

- de cellules : fibroblastes, cellules endothéliales , macrophages, adipocytes . Toutes ces cellules sont capables de sécréter tous les facteurs de croissance (sauf peut-être l'IL3 et l'EPO), mais aussi les inhibiteurs de l'hématopoïèse.

- d'une matrice extra-cellulaire : réseau de fibres complexe auquel viennent adhérer les cellules hématopoïétiques. Cette adhérence est probablement capitale, dans la mesure où la matrice constitue un réservoir considérable en facteurs de croissance.

APPLICATIONS CLINIQUES

APPLICATIONS CLINIQUES ACTUELLES

u Cytopénies induites par chimiothérapie conventionnelles dans les tumeurs solides

Réduire la durée et la profondeur de neutropénies induites par la chimiothérapie s'est vite imposé comme l'une des indications potentielles majeures des CSF. Le risque infectieux lié à la neutropénie fait en effet de la toxicité hématologique l'un des facteurs limitants essentiels de l'augmentation des doses d'antimitotiques.

Le bénéfice apporté par les CSF peut s'exprimer en termes de réduction de la morbidité et de la mortalité liées aux infections, mais aussi en terme de respect des doses optimales d'antimitotiques et des intervalles entre les traitements.

Des essais ont été réalisés en thérapeutique humaine avec le G-CSF et le GM-CSF. Si les premiers résultats ne montrent guère de nette augmentation en termes de taux de réponse aux chimiothérapies, il existe incontestablement une diminution de la toxicité de ces chimiothérapies (diminution des accidents infectieux, du nombre de jours d'hospitalisation...) et donc une amélioration de la qualité de vie des malades.

v Greffes de moëlle

L'utilisation de CSF peut permettre de réduire la toxicité hématologique induite par les hautes doses de chimiothérapie utilisées dans ces protocoles. Ceci concerne tout particulièrement la greffe médullaire autologue où l'on observe une réduction de la durée de neutropénie d'environ 1 semaine. L'impact du GM-CSF ou du G-CSF sur la fréquence des infections documentées, sur la durée de la fièvre, sur la consommation d'antibiotiques et d'antifongiques n'apparaît pas de manière évidente. Néanmoins, la durée d'hospitalisation est significativement réduite.

Au décours de l'allogreffe, le problème est différent et l'utilisation de CSF exige probablement davantage de prudence. Il faut en effet tenir compte, dans les indications, du risque potentiel de stimulation des cellules médiatrices de la GVH (réaction de greffon contre l'hôte) ou du rejet du greffon.

Enfin, une autre indication des CSF réside dans la collection de cellules souches périphériques en vue d'une auto ou d'une allogreffe (cf cours autogreffe).

w Leucémies myéloïdes et myélodysplasies

En théorie, l'utilisation dans ce cadre des facteurs de croissance pourrait s'appuyer sur plusieurs de leurs propriétés :

- activation de la différenciation cellulaire : les facteurs de croissance sont capables en théorie d'induire la maturation des cellules blastiques devenant alors incapables de prolifération. Cet effet, observé in vitro, est cependant loin d'être constant in vivo, et ne peut donc à l'heure actuelle être encore utilisé en pratique.

- entrée en cycle des cellules tumorales : un tel effet permettrait alors de potentialiser l'action des chimiothérapies antimitotiques. Il ne constitue encore cependant qu'une approche expérimentale.

- stimulation de l'hématopoïèse normale : permettant une réduction des neutropénies post-chimiothérapie (cf cytopénies induites)

Actuellement, plusieurs schémas thérapeutiques utilisant soit le G-CSF soit le GM-CSF sont en cours d'évaluation tant chez l'adulte que chez l'enfant. Il faut néanmoins garder à l'esprit que les études cliniques doivent être menées avec la plus grande prudence, tant le risque d'accélérer la prolifération sans pouvoir la contrôler impose un suivi très strict et une sélection très rigoureuse des patients.

De la même façon, au cours des myélodysplasies, qui fréquemment constituent des états pré-leucémiques, se pose le problème de voir éventuellement s'accélérer le processus de transformation blastique, malgré un effet à court terme sur les polynucléaires.

x Aplasies médullaires

La tendance actuelle est d'utiliser les facteurs de croissance granulocytaires pour attendre soit une allogreffe médullaire quand elle est indiquée et possible, soit une réponse au traitement immunosuppresseur. A long terme, se pose là aussi le problème de l'effet des facteurs de croissance sur la leucémogénèse, sur l'immunité et sur le compartiment de cellules souches.

y Neutropénies constitutionnelles

Deux cytokines sont actives sur la lignée granulocytaire : le GM-CSF et le G-CSF. Le GM-CSF apparaît nettement moins efficace que le G-CSF dans toutes les neutropénies constitutionnelles. Sa tolérance instantanée est plus médiocre . Le G-CSF constitue donc la cytokine de référence.

Les schémas thérapeutiques sont variables d'un patient à l'autre, fonction du bénéfice observé et des effets secondaires à court terme du G-CSF : sa tolérance est généralement bonne en dehors de réactions locales, de douleurs osseuses transitoires réversibles.

A long terme, davantage de questions restent posées notamment quant au risque leucémogène du G-CSF. Plusieurs cas de leucémies ou de myélodysplasies ont été observés chez des patients neutropéniques recevant au long cours du G-CSF. On ignore néanmoins les rôles respectifs de la maladie sous-jacente et des cytokines administrées.

z Infection VIH

La survenue d'une neutropénie n'est pas rare au cours de l'infection VIH. Son étiologie est probablement multifactorielle, incluant des causes périphériques (anticorps anti-neutrophiles) et des causes centrales (inefficacité de la myélopoïèse elle-même dûe à l'infection VIH, aux infections opportunistes, ou aux toxicités thérapeutiques). Quoi qu'il en soit, l'apparition d'une neutropénie augmente encore le risque d'infection sur un terrain profondément immuno-déprimé et justifie l'utilisation de CSF.

APPLICATIONS CLINIQUES FUTURES

u L'EPO

L'érythropoïétine est utilisée depuis plusieurs années chez les insuffisants rénaux. Son AMM est en cours d'élargissement, incluant notamment les nouveau-nés prématurés et certaines anémies induites par chimiothérapies. Son coût constitue un frein important à une utilisation plus répandue, mais on peut raisonnablement penser que son usage n'ira qu'en augmentant au cours des prochaines années.

v La TPO

La thrombopoïétine est actuellement en cours d'expérimentation et les premiers résultats laissent espérer, d'ici 2 à 3 ans, la possibilité de l'utiliser de manière courante dans les thrombopénies induites par chimiothérapie.

w Autres

De nombreux autres facteurs de croissance sont actuellement en cours d'exploration, tant sur le plan théorique que sur le plan thérapeutique, in vivo. Parmi ceux-ci on peut citer :

- L'IL2 qui constitue un agent de stimulation puissant du système immunitaire, susceptible de présenter un effet tumoral. Les études actuelles restent cependant partielles et parfois contradictoires.

- L'IL11, susceptible d'une activité sur les thrombopénies post-chimiothérapie

- L'IL12 qui serait susceptible d'agir de manière importante sur la réaction immunitaire au cours de certaines infections en particulier celles à VIH

- Le SCF qui, en combinaison avec d'autres facteurs de croissance, serait capable d'induire la prolifération de cellules souches à un stade très précoce de l'hématopoïèse

Les facteurs de croissance pourraient aussi trouver d'importantes applications dans une utilisation in vitro. Ainsi, des combinaisons de plusieurs d'entre eux (en particulier IL1, IL3, IL6, EPO) pourraient permettre de réaliser des expansions médullaires ex vivo.

Quant aux inhibiteurs de l'hématopoïèse, 2 principaux types d'utilisation peuvent être imaginés :

- inhibition du développement des cellules myéloïdes, susceptible d'être appliquée dans les syndromes myéloprolifératifs

- protection de la moëlle osseuse contre la toxicité hématologique des chimiothérapies

CONCLUSION

Si la connaissance des facteurs de croissance hématopoïétique a fait de grands pas au cours de ces dernières années, beaucoup de progrès demandent encore à être réalisés quant à la compréhension des mécanismes, probablement extrêmement complexes, qui régissent leurs interactions. De la même façon, leur utilisation n'en est sûrement encore qu'à ses débuts et reste promise à un grand développement au cours des prochaines années.

D'ores et déjà cependant, a pu être établi un certain consensus quant aux indications cliniques du G-CSF. Celles-ci concernent donc :

- la prophylaxie primaire des neutropénies chez les patients à haut risque de dépression hématologique.

- la prévention des neutropénies fébriles chez les patients aux antécédents d'infection bactérienne sévère ou d'infection fongique, ou chez les patients présentant des capacités réduites de régénération médullaire après chimio et/ou radiothérapie.

- l'allo greffe et l'autogreffe de cellules souches hématopoïétiques.

- la collection de cellules-souches périphériques.

- le traitement des neutropénies fébriles chez certains patients sélectionnés.

- les neutropénies constitutionnelles.