Thérapie cellulaire par cellules souches mésenchymateuses d’une atteinte multi-organes induite par une irradiation gamma : un modèle expérimental

Cellular therapy by mesenchymal stem cells in the gamma radiation-induced multi-organ dysfunction syndrome

¹ IRSN, Direction de la radioprotection de l’Homme, B.P. 17, 92262 Fontenay-aux-Roses Cedex, France
² Laboratoire de Thérapie Cellulaire et Radioprotection Accidentelle, EA 1638, Faculté de Médecine Saint-Antoine, Université Paris VI Pierre et Marie Curie, 27 rue de Chaligny, 75012 Paris, France
³ Service d’Hématologie et de Thérapie cellulaire, Hôpital Saint-Antoine, 75012 Paris, France

Reçu : 21 Décembre 2006
Accepté : 17 Mai 2007

Résumé

Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont présentes dans divers tissus de l’organisme adulte dont la moelle osseuse. In vitro, les CSM peuvent se différencier en de nombreux types cellulaires du mésoderme, de l’endoderme et de l’ectoderme ; in vivo, elles ont la capacité de migrer vers un organe lésé. Il existe cependant peu d’informations sur le devenir et le potentiel thérapeutique lors de l’injection de ces cellules souches dans un organisme ayant subit une irradiation accidentelle ou thérapeutique. Nos travaux ont permis de mettre en évidence la répartition spatiale et le taux de prise de greffe des CSM injectées par voie intraveineuse (IV) dans un organisme en fonction de la configuration pour une irradiation gamma. Les CSM ont été isolées à partir de moelle osseuse humaine (CSMh) et injectées à des souris immunodéficientes 24 heures après irradiation. Nous avons mis au point trois types de configurations, une configuration d’irradiation corps entier (ICE) à une dose sublétale de 3,5 Gy et deux configurations d’irradiations localisées, pour lesquelles les souris reçoivent une dose locale totale de 8 Gy au niveau de l’abdomen ou de 30 Gy au niveau de la patte droite postérieure. Le taux d’implantation des CSMh dans les différents organes de l’organisme 15 jours après irradiation a été quantifié par amplification du gène humain de la bêta-Globine par PCR. Puis leur localisation in situ a été mise en évidence par marquage immuno-histochimique de la bêta-2-microglobuline humaine sur des sections d’organes murins possédant de l’ADN humain. En absence d’irradiation, les CSMh ont été détectées en très faible quantité. En revanche, le taux de CSMh implantées est plus important au niveau des zones irradiées à forte dose, suggérant que la colonisation des CSMh dans les tissus après irradiation est dépendante de la configuration d’irradiation. L’implantation des CSMh dans les organes n’appartenant pas aux zones surexposées évoque un état inflammatoire généralisé radio-induit. Cette observation met en avant l’existence d’un effet à distance (abscopal) des atteintes tissulaires locales radio-induites. L’ensemble de nos résultats suggère que la thérapie cellulaire par les CSM pourrait être utilisée pour la régénération des tissus normaux lésés suite à une irradiation accidentelle ou chez les patients soumis à une radiothérapie.

Abstract

Mesenchymal stem cells (MSCs) have been shown to migrate to various tissues. There is little information on the fate and potential therapeutic efficacy of the reinfusion of MSCs following total body irradiation (TBI). We addressed this question using human MSC (hMSCs) infused to nonobese diabetic/severe combined immunodeficient (NOD/SCID) mice submitted to TBI. Further, we tested the impact of additional local irradiation (ALI) superimposed to TBI, as a model of accidental irradiation. NOD/SCID mice were transplanted with hMSCs. Group 1 was not irradiated before receiving hMSC infusion. Group 2 received only TBI at a dose of 3.5 Gy, group 3 received local irradiation to the abdomen at a dose of 4.5 Gy in addition to TBI, and group 4 received local irradiation to the leg at 26.5 Gy in addition to TBI. Fifteen days after gamma irradiation, quantitative and spatial distribution of the hMSCs were studied. Histological analysis of mouse tissues confirmed the presence of radio-induced lesions in the irradiated fields. Following their infusion into nonirradiated animals, hMSCs homed at a very low level to various tissues (lung, bone marrow, and muscles) and no significant engraftment was found in other organs. TBI induced an increase of engraftment levels of hMSCs in the brain, heart, bone marrow, and muscles. Abdominal irradiation (AI) as compared with leg irradiation (LI) increased hMSC engraftment in the exposed area (the gut, liver, and spleen). Comparison of two local irradiations has shown that (LI) as compared with (AI) increased hMSC engraftment in the exposed area. An increase of hMSC engraftment in organs outside the fields of the ALI was also observed. Conversely, following LI, hMSC engraftment was increased in the brain as compared with AI. This study shows that engraftment of hMSCs in NOD/ SCID mice with significantly increased in response to tissue injuries following TBI with or without ALI. ALI induced an increase of the level of engraftment at sites outside the local irradiation field, thus suggesting a distant (abscopal) effect of radiation damage. This work supports the use of MSCs to repair damaged normal tissues following accidental irradiation and possibly in patients submitted to radiotherapy.