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Quantité moyenne de cellules souches normales dans un organe donné

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J'essaie de trouver une estimation de la quantité de cellules souches normales dans un organe, car j'en ai besoin comme conditions initiales d'un modèle pour estimer le risque de cancer secondaire après radiothérapie. Je sais qu'il existe différents types de cellules souches, mais je m'intéresse à toutes les cellules souches susceptibles de devenir malignes. J'ai parcouru le Web et j'ai essayé la plupart des mots-clés auxquels je peux penser pour trouver un article qui estime ce montant, mais j'ai échoué.

Quelqu'un ici a-t-il déjà rencontré de la littérature qui présente une estimation des cellules souches normales dans un organe ?


Cellule souche

Dans les organismes multicellulaires, cellules souches sont des cellules indifférenciées ou partiellement différenciées qui peuvent se différencier en divers types de cellules et proliférer indéfiniment pour produire davantage de la même cellule souche. Ils sont le premier type de cellule dans une lignée cellulaire. [1] On les trouve dans les organismes embryonnaires et adultes, mais ils ont des propriétés légèrement différentes dans chacun. Ils se distinguent généralement des cellules progénitrices, qui ne peuvent pas se diviser indéfiniment, et des cellules précurseurs ou blastiques, qui sont généralement engagées à se différencier en un seul type cellulaire.

Chez les mammifères, environ 50 à 150 cellules constituent la masse cellulaire interne pendant le stade blastocyste du développement embryonnaire, vers les jours 5-14. Ceux-ci ont une capacité de cellules souches. In vivo, ils finissent par se différencier en tous les types de cellules du corps (les rendant pluripotentes). Ce processus commence par la différenciation en trois couches germinales - l'ectoderme, le mésoderme et l'endoderme - au stade de la gastrulation. Cependant, lorsqu'ils sont isolés et cultivés in vitro, elles peuvent être conservées au stade de cellules souches et sont appelées cellules souches embryonnaires (CSE).

Les cellules souches adultes se trouvent dans quelques endroits sélectionnés du corps, appelés niches, comme celles de la moelle osseuse ou des gonades. Ils existent pour reconstituer les types cellulaires rapidement perdus et sont multipotents ou unipotents, ce qui signifie qu'ils ne se différencient qu'en quelques types cellulaires ou en un seul type cellulaire. Chez les mammifères, elles comprennent, entre autres, les cellules souches hématopoïétiques, qui reconstituent le sang et les cellules immunitaires, les cellules basales, qui maintiennent l'épithélium cutané, et les cellules souches mésenchymateuses, qui maintiennent les cellules osseuses, cartilagineuses, musculaires et adipeuses. Les cellules souches adultes sont une petite minorité de cellules dans lesquelles elles sont largement surpassées en nombre par les cellules progénitrices et les cellules différenciées en phase terminale dans lesquelles elles se différencient. [1]

La recherche sur les cellules souches est née des découvertes des biologistes canadiens Ernest McCulloch, James Till et Andrew J. Becker à l'Université de Toronto dans les années 1960. [2] [3] À partir de 2016 [mise à jour] , la seule thérapie médicale établie utilisant des cellules souches est la greffe de cellules souches hématopoïétiques, [4] réalisée pour la première fois en 1958 par l'oncologue français Georges Mathé. Depuis 1998, cependant, il est possible de cultiver et de différencier des cellules souches embryonnaires humaines (en lignées de cellules souches). Le processus d'isolement de ces cellules a été controversé, car il entraîne généralement la destruction de l'embryon. Les sources d'isolement des CES ont été restreintes dans certains pays européens et au Canada, mais d'autres, comme le Royaume-Uni et la Chine, ont promu la recherche. [5] Le transfert nucléaire de cellules somatiques est une méthode de clonage qui peut être utilisée pour créer un embryon cloné pour l'utilisation de ses cellules souches embryonnaires dans la thérapie par cellules souches. [6] En 2006, une équipe japonaise dirigée par Shinya Yamanaka a découvert une méthode pour reconvertir les cellules matures du corps en cellules souches. Celles-ci ont été appelées cellules souches pluripotentes induites (iPSCs). [7]


Cellules souches pulmonaires dans la santé, la réparation et la maladie

Les maladies pulmonaires telles que la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC), le cancer, la fibrose pulmonaire et la pneumonie sont parmi les maladies pulmonaires les plus courantes en Europe. Ces maladies peuvent provoquer des maladies graves et prolongées et, en fin de compte, la mort, ce qui signifie de longues durées d'hospitalisation, des souffrances et des coûts élevés. La recherche sur les cellules souches pulmonaires aide à comprendre l'apparition de ces maladies et aide à développer des traitements dans le but de réduire les souffrances et les coûts.

Que savons-nous? ▼

De nombreuses maladies pulmonaires chroniques, telles que la MPOC et la fibrose, sont causées par des modifications des cellules qui composent le poumon. Les populations cellulaires importantes dans le poumon sont les populations de cellules souches. Chez les personnes en bonne santé, le travail des cellules souches pulmonaires est de maintenir la structure pulmonaire normale. Lorsqu'elles reçoivent des signaux spécifiques, les cellules souches fonctionnent en se divisant pour remplacer les cellules pulmonaires plus spécialisées, anciennes ou endommagées. Dans les maladies pulmonaires chroniques, ce processus peut mal tourner, entraînant des difficultés respiratoires à long terme et finalement la mort.

La pneumonie est une autre maladie pulmonaire avec un taux de mortalité très élevé, en particulier chez les personnes âgées. La pneumonie est généralement déclenchée par une infection pulmonaire et peut être causée par la grippe ou le COVID-19. La pneumonie sévère est traitée par ventilation mécanique qui elle-même peut endommager les poumons. Les poumons devraient être capables de réparer les dommages causés par la ventilation en activant leurs cellules souches pour fabriquer de nouveaux tissus pulmonaires sains. Cependant, lorsque les dommages sont trop graves, le processus de réparation ne peut pas se dérouler normalement et une fibrose (lorsque les cellules saines sont remplacées par du tissu cicatriciel) peut se produire.

Une meilleure compréhension de la façon dont les cellules souches pulmonaires peuvent aider à réparer les dommages et de la façon dont le comportement des cellules souches est modifié dans les maladies pulmonaires chroniques et les infections graves est cruciale pour trouver de nouveaux traitements.

Sur quoi les chercheurs étudient-ils ? ▼

La plupart des recherches axées sur les cellules souches pulmonaires sont effectuées sur des souris ou des tissus humains. Nous pouvons isoler des cellules souches pulmonaires à partir de tissus humains donnés et les cultiver en « cultures organoïdes » qui ressemblent à des mini-organes. Cette méthode permet aux chercheurs de modifier les instructions reçues par les cellules souches et d'observer ce qui se passe. Les chercheurs peuvent, par exemple, comparer des cellules souches saines avec des cellules souches de patients. Les cultures organoïdes peuvent également être utilisées comme modèle de dépistage de médicaments, et même servir de base à la médecine de précision des patients. De cette façon, les cellules souches pourraient un jour être utilisées pour guérir les maladies pulmonaires.

Dans un autre type de recherche, les outils génétiques modernes peuvent être utilisés pour la « correction » des gènes malsains responsables de maladies. Un bon exemple de ceci est la correction des versions malsaines du gène CFTR dans la mucoviscidose. Jusqu'à présent, ces corrections génétiques n'ont été effectuées que sur des cellules poussant en laboratoire, mais les scientifiques travaillent activement sur les moyens d'apporter les mêmes changements dans les poumons du patient.

Quels sont les défis ? ▼

Les chercheurs peuvent utiliser des cellules souches humaines dans des cultures organoïdes, mais un grand défi est qu'il ne s'agit que d'un modèle et que les cultures ne récapitulent que certains aspects de la biologie pulmonaire humaine.

Une grande partie de la recherche sur les cellules souches pulmonaires qui a été effectuée jusqu'à présent a été réalisée sur des souris. Des études récentes sur le profilage cellulaire d'échantillons de souris et d'humains ont révélé de nombreux nouveaux types de cellules présents dans les poumons. La fonction de tous ces différents types de cellules n'est pas connue jusqu'à présent et l'utilisation de souris est un excellent moyen pour les chercheurs d'étudier les fonctions de ces nouveaux types de cellules dans un poumon intact. Les poumons de souris et humains sont construits de manière très similaire, cependant, il est également devenu plus clair qu'il existe des différences significatives dans les populations cellulaires entre les poumons de souris et les poumons humains. Une autre différence entre la souris et l'homme est la façon dont le vieillissement se produit. Ceci est important car de nombreuses maladies pulmonaires graves affectent principalement les personnes âgées.

Pour travailler parallèlement aux expériences sur des cellules humaines dans une boîte, les chercheurs essaient de plus en plus de trouver des modèles animaux supplémentaires qui ressemblent davantage à des humains. Un modèle entre la souris et l'humain qui pourrait être utilisé est le porc. La physiologie et l'anatomie du porc ressemblent beaucoup mieux aux poumons et au corps humains qu'à ceux des souris.

Nos poumons travaillent dur. Au cours d'une vie moyenne, les poumons humains prennent 20 à 40 millions de respirations et subissent un débit d'air quotidien compris entre 7 000 et 10 000 litres. Les poumons des mammifères sont constitués de deux régions distinctes :

1. Les tubes conducteurs des voies aériennes, y compris la trachée, les bronches et les bronchioles.

2. Les régions d'échange de gaz, ou espaces alvéolaires.

Les scientifiques ont découvert que ces régions contiennent chacune des types uniques de cellules souches. Dans les poumons normaux, de nombreuses cellules souches sont présentes dans chaque région. Ces cellules se divisent pour remplacer les cellules pulmonaires anciennes ou endommagées, ce qui maintient le poumon en bonne santé. Les cellules souches comprennent les cellules basales trachéales, les cellules sécrétoires bronchiolaires (appelées cellules club) et les cellules alvéolaires de type 2. On pense que la division de ces cellules souches est suffisante pour renouveler la structure du poumon tout au long de la vie adulte normale.

Le poumon peut être grossièrement divisé en grandes voies respiratoires et alvéoles. L'air que nous respirons est filtré dans les grandes voies respiratoires et l'oxygène que nous respirons est transféré dans la circulation sanguine dans les alvéoles. Dans un poumon sain, les différents types de cellules souches fabriquent lentement de nouvelles cellules pulmonaires pour maintenir une structure pulmonaire normale. Les cellules souches pulmonaires peuvent également réparer les lésions pulmonaires en fabriquant plus rapidement de nouvelles cellules.

Dans les maladies pulmonaires, ces processus sont altérés et donc moins de cellules fonctionnelles sont produites après les dommages. Cela signifie que la capacité des poumons à fournir de l'oxygène au corps du patient diminue avec le temps, provoquant des maladies et, éventuellement, la mort.

Par exemple, les poumons de patients atteints de maladies pulmonaires chroniques telles que la MPOC présentent des altérations des voies respiratoires et des alvéoles, en particulier après une exposition à la fumée de cigarette. Les grandes voies respiratoires des personnes atteintes de MPOC présentent une hyperplasie basocellulaire (un nombre accru de cellules basales), une perte de cellules ciliées et un nombre accru de cellules caliciformes sécrétant du mucus. Dans les alvéoles des poumons de la MPOC, il y a moins de cellules alvéolaires de type I. Dans les poumons sains, les cellules alvéolaires de type II peuvent produire des cellules de type I et bien que ce processus se produise toujours dans les poumons de la MPOC, il n'est plus efficace. L'environnement entourant la cellule souche change également dans la maladie. Il y a plus de macrophages et de fibroblastes activés dans les alvéoles des poumons de la MPOC et ces cellules environnantes peuvent fournir des signaux qui modifient le comportement des cellules souches.

Dans un poumon malade, les cellules souches et les cellules qui les entourent se sont altérées. La structure pulmonaire normale et les fonctions principales de filtrage de l'air que nous respirons et d'échange gazeux ne peuvent pas être bien maintenues. Les causes de ces changements ne sont pas complètement connues, mais peuvent inclure le tabagisme, la pollution de l'air, des infections graves et des facteurs génétiques.

Certaines cellules souches contribuent au développement initial du poumon et d'autres aident à réparer et à régénérer le poumon tout au long de la vie. Les problèmes avec les cellules souches peuvent contribuer aux maladies pulmonaires. Dans les poumons de souris, on a découvert de rares cellules souches situées dans les tubes des voies aériennes conductrices. En réponse à une blessure grave (par exemple, une infection grippale), ces cellules souches rares peuvent se diviser et produire de nouvelles cellules qui contribuent à la fois aux voies respiratoires et aux régions d'échange gazeux. Ces cellules ont également été cultivées en laboratoire et utilisées comme traitement dans les poumons de souris blessés. Cependant, il n'est pas encore clair si ces cellules souches rares sont importantes dans les poumons humains.

Une meilleure compréhension de la biologie des cellules souches pulmonaires améliorera notre connaissance du fonctionnement du poumon. Nous pouvons le faire en cultivant des cellules souches pulmonaires dans une boîte où elles conservent leur identité de cellules souches. En ajoutant au plat différents indices comportementaux trouvés dans les poumons sains et malades, nous pouvons influencer la croissance des cellules souches et imiter certains aspects de la maladie. Lorsque des indices spécifiques pouvant modifier le comportement des cellules souches sont identifiés dans une boîte en laboratoire, ils peuvent ensuite être testés dans des modèles animaux de maladie. De cette façon, une meilleure compréhension de la façon dont les cellules souches se développent et réagissent aux dommages peut aider à développer davantage de moyens de manipuler les cellules souches dans le corps et à trouver un meilleur traitement pour les maladies.

Les recherches actuelles se concentrent principalement sur la façon dont nous pouvons cultiver indéfiniment les différentes cellules souches du poumon. Cela se produit souvent dans les cultures organoïdes (mini-organes) qui sont particulièrement bonnes pour la croissance de cellules en laboratoire qui se comportent comme des cellules dans le corps. Ces cultures sont utilisées pour la modélisation de la maladie et le criblage de médicaments pour tenter d'identifier de nouveaux traitements pour la maladie.

La capacité de cultiver des cellules - en particulier des cellules humaines données - sous forme de mini-organes (organoïdes) en laboratoire a été développée pour l'intestin il y a environ 10 ans. Cette méthode est rapidement devenue l'un des outils de recherche les plus importants pour les biologistes des cellules souches pulmonaires. Les cellules souches des grandes voies respiratoires humaines, des alvéoles et même des poumons en développement peuvent être cultivées sous forme d'organoïdes. Ces cultures sont utilisées pour comprendre comment les cellules souches pulmonaires humaines sont contrôlées.

Les expérimentations animales sont encore nécessaires pour tester de nouveaux médicaments dans le contexte de l'ensemble du poumon et de l'ensemble du corps.

Le matériel de patient donné est utilisé pour les cultures organoïdes afin d'identifier davantage les différences entre les poumons sains et malades en réponse à certains indices de comportement des cellules souches et comment nous pouvons les manipuler. De nombreux laboratoires à travers le monde tentent d'améliorer les méthodes de croissance des cancers du poumon sous forme d'organoïdes. Cela permettrait de réaliser des expériences similaires – manipulant des indices de comportement des cellules souches ou un dépistage de médicaments – sur les cancers du poumon.

De nouvelles méthodes sont en cours de développement pour « corriger les gènes » (réparer les gènes endommagés) dans les cellules humaines. Ces méthodes fonctionnent bien en laboratoire et pourraient un jour conduire à un nouveau type de médecine personnalisée qui pourrait guérir les personnes dont les gènes les poussent à développer certaines maladies pulmonaires. De nombreuses recherches sont actuellement menées sur la manière de modifier en toute sécurité l'ADN d'un patient ou de donner en toute sécurité aux patients de nouvelles cellules souches pulmonaires avec un ADN modifié.

À mesure que les scientifiques améliorent leurs connaissances sur les cellules souches pulmonaires humaines et utilisent de nouvelles méthodes de recherche innovantes, le chemin vers les applications cliniques et les nouveaux traitements deviendra plus court.

Une grande amélioration a été démontrée dans la correction des gènes dans les cellules souches des patients atteints de mucoviscidose. En raison de la capacité de modifier très précisément les gènes, cette technique sera d'une grande importance à l'avenir pour guérir les maladies causées par l'ADN de l'individu.


Quantité moyenne de cellules souches normales dans un organe donné - Biologie

Que sont les cellules souches ?

  • Les cellules souches sont des cellules non spécialisées qui n'ont pas encore décidé de quel type de cellule adulte elles seront.
  • Ils peuvent s'auto-renouveler et fabriquer deux nouvelles cellules souches
  • Ils peuvent se différencier pour former plusieurs types de cellules
  • Ils amplifient finalement en augmentant le nombre de cellules matures différenciées et matures

Il existe plusieurs types différents de cellules souches produites et maintenues dans notre système tout au long de la vie.  En fonction des circonstances et des étapes du cycle de vie, ces cellules ont des propriétés et des fonctions différentes.  Il existe même des cellules souches qui ont été créées dans le laboratoire qui peut nous aider à en savoir plus sur la façon dont les cellules souches se différencient et fonctionnent. 

  1. Les cellules souches ne sont PAS nouvelles pour la science
  2. La définition est relativement simple (voir ci-dessus)
  3. Les cellules souches ne sont pas toutes identiques.  Il existe différents types de cellules souches :
    1. Cellules souches adultes (ASC)
    2. Cellules souches embryonnaires (CSE)
    3. Cellules souches pluripotentes induites (iPS)

    Les cellules souches sont les cellules de base de chaque organe et tissu de notre corps. Les cellules hautement spécialisées qui composent ces tissus provenaient à l'origine d'un premier pool de cellules souches formé peu de temps après la fécondation. Tout au long de notre vie, nous continuons à dépendre des cellules souches pour remplacer les tissus blessés et les cellules perdues chaque jour, comme celles de notre peau, de nos cheveux, de notre sang et de la muqueuse de notre intestin.

    Histoire des cellules souches

    Jusqu'à récemment, les scientifiques travaillaient principalement avec deux types de cellules souches animales et humaines : les cellules souches embryonnaires et les cellules souches non embryonnaires « somatiques » ou « adultes ». Il y a 30 ans, en 1981. L'étude détaillée de la biologie des cellules souches de souris a conduit à la découverte, en 1998, d'une méthode pour dériver des cellules souches d'embryons humains et les faire croître en laboratoire. Ces cellules sont appelées cellules souches embryonnaires humaines. Les embryons utilisés dans ces études ont été créés à des fins de reproduction par des procédures de fécondation in vitro. Lorsqu'ils n'étaient plus nécessaires à cette fin, ils étaient donnés pour la recherche avec le consentement éclairé du donneur. En 2006, les chercheurs ont fait une autre percée en identifiant les conditions qui permettraient à certaines cellules adultes spécialisées d'être « reprogrammées » génétiquement pour assumer un état de type cellule souche. Ce nouveau type de cellules souches est maintenant connu sous le nom de cellules souches pluripotentes induites (iPSCs).

    Types de cellules souches

    Cellules souches adultes (ASC) :

    Les ASC sont des cellules indifférenciées vivant dans des tissus différenciés spécifiques de notre corps qui peuvent se renouveler ou générer de nouvelles cellules pouvant reconstituer les tissus morts ou endommagés. Vous pouvez également voir le terme « cellule souche somatique » utilisé pour désigner l'adulte cellules souches.  Le terme « somatiques”» fait référence aux cellules non reproductrices du corps (œufs ou spermatozoïdes).  Les ASC sont généralement rares dans les tissus natifs, ce qui les rend difficiles à étudier et à extraire à des fins de recherche. .

    Résidentes dans la plupart des tissus du corps humain, des populations discrètes d'ASC génèrent des cellules pour remplacer celles qui sont perdues lors d'une réparation normale, d'une maladie ou d'une blessure. Les ASC se trouvent tout au long de la vie dans des tissus tels que le cordon ombilical, le placenta, la moelle osseuse, les muscles, le cerveau, les tissus adipeux, la peau, les intestins, etc. Les premiers ASC ont été extraits et utilisés pour la production de sang en 1948.   Cette procédure a été étendue en 1968 lorsque les premières cellules de moelle osseuse adultes ont été utilisées dans des thérapies cliniques pour les maladies du sang. 

    Les études prouvant la spécificité du développement des ASC sont controversées, certaines montrant que les ASC ne peuvent générer que les types cellulaires de leurs tissus résidents, tandis que d'autres ont montré que les ASC peuvent être capables de générer d'autres types de tissus que ceux dans lesquels elles résident. Plus d'études sont nécessaires. pour confirmer le différend.

    Types de cellules souches adultes

    • Cellules souches hématopoïétiques (cellules souches sanguines)
    • Les cellules souches mésenchymateuses
    • Cellules souches neurales
    • Cellules souches épithéliales
    • Cellules souches de la peau

    Cellules souches embryonnaires (CSE) :

    Pendant les jours 3 à 5 suivant la fécondation et avant l'implantation, l'embryon (à ce stade, appelé blastocyste), contient une masse cellulaire interne capable de générer tous les tissus spécialisés qui composent le corps humain. Les CSE sont dérivé de la masse cellulaire interne d'un embryon qui a été fécondé in vitro et donnés à des fins de recherche après consentement éclairé. Les CSE ne proviennent pas d'ovules fécondés dans le corps d'une femme.

    Ces cellules souches pluripotentes ont le potentiel de devenir presque n'importe quel type de cellule et ne se trouvent qu'au cours des premiers stades de développement. Les scientifiques espèrent comprendre comment ces cellules se différencient au cours du développement. À mesure que nous commençons à comprendre ces processus de développement, nous peuvent être en mesure de les appliquer à des cellules souches cultivées in vitro et potentiellement faire repousser des cellules telles que les nerfs, la peau, l'intestin, le foie, etc. pour la transplantation.

    Cellules souches pluripotentes induites (iPSCs)

    Les cellules souches pluripotentes induites sont des cellules souches créées en laboratoire, un juste milieu entre les cellules souches adultes et les cellules souches embryonnaires. Les iPSC sont créées par l'introduction de gènes embryonnaires dans une cellule somatique (une cellule de la peau par exemple) qui la faire revenir à un état de « cellule souche semblable à ». Ces cellules, comme les CES sont considérées comme pluripotentes. recherche avant utilisation dans les thérapies cliniques.  

    Pourquoi les cellules souches sont-elles importantes ?

    Les cellules souches sont importantes pour les organismes vivants pour de nombreuses raisons. Dans l'embryon de 3 à 5 jours, appelé blastocyste, les cellules internes donnent naissance à l'ensemble du corps de l'organisme, y compris tous les nombreux types de cellules et organes spécialisés tels que le cœur, les poumons, la peau, le sperme, œufs et autres tissus. Dans certains tissus adultes, tels que la moelle osseuse, les muscles et le cerveau, des populations discrètes de cellules souches adultes génèrent des remplacements pour les cellules perdues par l'usure normale, les blessures ou les maladies.

    Compte tenu de leurs capacités de régénération uniques, les cellules souches offrent de nouveaux potentiels pour le traitement de maladies telles que le diabète et les maladies cardiaques. Cependant, beaucoup de travail reste à faire en laboratoire et en clinique pour comprendre comment utiliser ces cellules pour des thérapies cellulaires pour traiter la maladie, également appelée médecine régénérative ou réparatrice.

    Les études en laboratoire sur les cellules souches permettent aux scientifiques d'en apprendre davantage sur les propriétés essentielles des cellules et sur ce qui les différencie des types de cellules spécialisées. Les scientifiques utilisent déjà des cellules souches en laboratoire pour cribler de nouveaux médicaments et développer des systèmes modèles pour étudier la croissance normale et identifier les causes des malformations congénitales.

    La recherche sur les cellules souches continue de faire progresser les connaissances sur la façon dont un organisme se développe à partir d'une seule cellule et sur la façon dont les cellules saines remplacent les cellules endommagées dans les organismes adultes. La recherche sur les cellules souches est l'un des domaines les plus fascinants de la biologie contemporaine, mais, comme dans de nombreux domaines en expansion de la recherche scientifique, la recherche sur les cellules souches soulève des questions scientifiques aussi rapidement qu'elle génère de nouvelles découvertes.

    Les médecins peuvent-ils utiliser des cellules souches pour traiter les patients ? 

    Certaines cellules souches, telles que la moelle osseuse adulte ou les cellules souches du sang périphérique, sont utilisées dans des thérapies cliniques depuis plus de 40 ans. D'autres thérapies utilisant des cellules souches incluent le remplacement de la peau à partir de cellules souches adultes récoltées à partir de follicules pileux qui ont poussé. en culture pour produire des greffes de peau. D'autres essais cliniques sur les lésions/maladies neuronales ont également été menés à l'aide de cellules souches neurales. recherches à mener dans le futur, ces études nous donnent de l'espoir pour l'avenir de la thérapeutique avec la recherche sur les cellules souches.

    Thérapies potentielles utilisant des cellules souches

    Thérapies par cellules souches pour adultes

    Les greffes de moelle osseuse et de cellules souches du sang périphérique sont utilisées depuis plus de 40 ans comme traitement pour les troubles sanguins tels que la leucémie et le lymphome, entre autres. Les scientifiques ont également montré que les cellules souches résident dans la plupart des tissus du corps et la recherche se poursuit. pour apprendre à identifier, extraire et faire proliférer ces cellules pour une utilisation ultérieure en thérapie. Les scientifiques espèrent proposer des thérapies pour des maladies telles que le diabète de type I et la réparation du muscle cardiaque après une crise cardiaque.

    Les scientifiques ont également montré qu'il est possible de reprogrammer les ASC pour les amener à se transdifférencier (à redevenir un type de cellule différent de celui du tissu résident qu'il reconstituait). 

    Thérapies par cellules souches embryonnaires (CSE)

    Il existe un potentiel avec les CES pour traiter certaines maladies à l'avenir.  Les scientifiques continuent d'apprendre comment les CES se différencient et une fois que cette méthode sera mieux comprise, l'espoir est d'appliquer les connaissances pour que les CES se différencient dans la cellule de choix qui est nécessaires pour le traitement du patient.  Les maladies ciblées par la thérapie ESC comprennent le diabète, les lésions de la moelle épinière, la dystrophie musculaire, les maladies cardiaques et la perte de vision/audition.

    Thérapies par cellules souches pluripotentes induites

    Les thérapies utilisant les iPSC sont passionnantes car les cellules somatiques du receveur peuvent être reprogrammées pour un état "comme" d'en "ESC". Ensuite, des mécanismes pour différencier ces cellules peuvent être appliqués pour générer les cellules qui en ont besoin. cliniciens, car cela évite le problème de l'histocompatibilité et de l'immunosuppression à vie, ce qui est nécessaire si les greffes utilisent des cellules souches de donneurs. 

    Les cellules iPS imitent la plupart des propriétés de l'ESC en ce qu'elles sont des cellules pluripotentes, mais ne portent pas actuellement le bagage éthique de la recherche et de l'utilisation de l'ESC, car les cellules iPS n'ont pas pu être manipulées pour faire croître la couche externe d'une cellule embryonnaire nécessaire au développement de la cellule en un être humain.

    Avantages et inconvénients de l'utilisation de diverses cellules souches

    • Des cellules somatiques abondantes du donneur peuvent être utilisées
    • Les problèmes d'histocompatibilité avec les greffes de donneur/receveur peuvent être évités
    • Très utile pour le développement de médicaments et les études de développement
    • La différenciation trans et la reprogrammation de ces cellules est possible mais n'est pas bien étudiée
    • Pensé pour être moins susceptible d'être rejeté s'il est utilisé dans les greffes
    • Le succès a déjà été démontré dans diverses applications cliniques 
    • Peut se maintenir et se développer pendant 1 an ou plus en culture
    • Protocoles établis pour le maintien en culture
    • Les CES sont des cellules pluripotentes qui peuvent générer la plupart des types cellulaires
    • En étudiant les CES, on peut en apprendre davantage sur le processus de développement
    • Des cellules somatiques abondantes du donneur peuvent être utilisées
    • Les problèmes d'histocompatibilité avec les greffes de donneur/receveur peuvent être évités
    • Très utile pour le développement de médicaments et les études de développement
    • Les informations apprises lors du processus de « reprogrammation » peuvent être transférables pour in vivo thérapies pour reprogrammer les cellules/tissus endommagés ou malades 
    • Les limitations de la capacité de différenciation des ASC sont encore incertaines, actuellement considérées comme multi ou unipotentes.
    • Ne peut pas être cultivé pendant de longues périodes de temps en culture
    • Généralement un très petit nombre dans chaque tissu, ce qui les rend difficiles à trouver et à purifier
    • Actuellement, il n'existe aucune technologie disponible pour générer de grandes quantités de cellules souches en culture.
    • Le processus de génération de lignes ESC est inefficace
    • Incertain s'ils seraient rejetés s'ils étaient utilisés dans les greffes.
    • Les thérapies utilisant les voies ESC sont en grande partie nouvelles et beaucoup plus de recherches et de tests sont nécessaires
    • S'ils sont utilisés directement à partir de la préparation de culture indifférenciée ESC pour les greffes de tissus, ils peuvent provoquer des tumeurs (tératomes) ou le développement d'un cancer  
    • Des méthodes pour assurer la reproductibilité et le maintien, car les tissus différenciés ne sont pas certains.
    • Les virus sont actuellement utilisés pour introduire des gènes embryonnaires et il a été démontré qu'ils provoquent des cancers dans des études sur la souris  
    •   Aucune préoccupation éthique majeure n'a été soulevée 
    • Pour acquérir la masse cellulaire interne, l'embryon est détruit
    • Risque pour les donneuses d'être consenties
    • « Les cellules  iPS ont le potentiel de devenir des embryons si elles sont exposées aux bonnes conditions


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    Cellules souches : un cas pour l'utilisation des embryons humains dans la recherche scientifique

    Les cellules souches embryonnaires ont un immense potentiel médical. Alors que leur acquisition et leur utilisation dans la recherche sont sujettes à controverse, les arguments contre leur utilisation sont réfutés en montrant que les cellules souches embryonnaires ne sont pas équivalentes à des vies humaines. Il est alors soutenu que ne pas utiliser d'embryons humains est contraire à l'éthique. Enfin, une alternative aux cellules souches embryonnaires est présentée.

    INTRODUCTION

    Les cellules souches embryonnaires ont le potentiel de guérir presque toutes les maladies et affections connues de l'humanité. Les cellules souches sont les transformateurs de la nature. Ce sont de petites cellules qui peuvent se régénérer indéfiniment, attendant de se transformer en un type cellulaire spécialisé tel qu'une cellule cérébrale, une cellule cardiaque ou une cellule sanguine [1]. La plupart des cellules souches se forment au cours des premiers stades du développement humain, immédiatement après la formation d'un embryon. Ces cellules, appelées cellules souches embryonnaires (CSE), finissent par se développer en chaque type de cellule du corps. Au fur et à mesure que l'embryon se développe, les cellules souches adultes (ASC) remplacent ces cellules souches embryonnaires toutes puissantes. Les ASC ne peuvent devenir qu'un certain nombre de cellules différentes au sein de leur puissance. Cette application limitée signifie qu'une cellule souche mésenchymateuse adulte ne peut pas devenir une cellule neurale.

    En exploitant la capacité unique des cellules souches embryonnaires à se transformer en cellules fonctionnelles, les scientifiques peuvent développer des traitements pour un certain nombre de maladies et de blessures, selon le California Institute for Regenerative Medicine, une organisation privée qui accorde des subventions pour la recherche sur les cellules souches [1]. Par exemple, des scientifiques de la Cleveland Clinic ont converti les CES en cellules du muscle cardiaque et les ont injectées à des patients souffrant de crises cardiaques. Les cellules ont continué à croître et ont aidé le cœur des patients à récupérer [2].

    Avec cet énorme potentiel de guérison de maladies dévastatrices, notamment l'insuffisance cardiaque, les lésions de la moelle épinière et la maladie d'Alzheimer, les gouvernements et les organismes de recherche ont l'impératif moral de soutenir et d'encourager la recherche sur les cellules souches embryonnaires. Le président Barack Obama a signé un décret en 2009 assouplissant les restrictions de financement fédérales sur la recherche sur les cellules souches, déclarant: «Nous visons à ce que l'Amérique soit à la tête du monde dans les découvertes qu'elle pourrait un jour apporter.» [3]. Le National Institute of Health et sept gouvernements d'État, dont la Californie, le Maryland et New York, ont suivi l'exemple d'Obama en créant des programmes offrant plus de 5 milliards de dollars de financement et d'autres incitations aux scientifiques et aux instituts de recherche pour la recherche sur les cellules souches [4].

    UNE CURE MIRACLE

    Les scientifiques pensent que l'exploitation de la capacité des cellules souches embryonnaires débloquera le remède à d'innombrables maladies. "Je suis très enthousiasmé par les cellules souches embryonnaires", a déclaré le Dr Dieter Egli, professeur de biologie cellulaire du développement à l'Université de Columbia. « Ils conduiront à des découvertes sans précédent qui transformeront la vie. Je n'ai aucun doute là-dessus. [5]. Les résultats obtenus jusqu'à présent sont inspirants. En 2016, Kris Boesen, un étudiant de 21 ans de Bakersfield, en Californie, a subi une grave blessure à la moelle épinière dans un accident de voiture qui l'a laissé paralysé du cou aux pieds. Dans un essai clinique mené par le Dr Charles Liu à la Keck School of Medicine de l'Université de Californie du Sud, Boesen a reçu une injection de 10 millions de cellules souches embryonnaires qui se sont transformées en cellules nerveuses [6]. Trois mois après le traitement, Boesen a retrouvé l'usage de ses bras et de ses mains. Il pouvait se brosser les dents, conduire un fauteuil roulant motorisé et vivre de manière plus autonome. "Tout ce que je voulais depuis le début, c'était une chance de se battre", a-t-il déclaré. Le pouvoir des cellules souches a rendu son souhait possible [6].

    Les traitements par cellules souches embryonnaires peuvent également guérir le diabète de type 1. Le diabète de type 1, qui touche 42 millions de personnes dans le monde, est une maladie auto-immune qui entraîne la destruction des cellules bêta productrices d'insuline présentes dans le pancréas [7]. ViaCyte, une société de San Diego, en Californie, développe un implant contenant des cellules bêta de remplacement provenant de cellules souches embryonnaires [7]. L'implant préservera ou remplacera les cellules bêta d'origine pour les protéger du système immunitaire du patient [7]. La société pense qu'en cas de succès, cette stratégie guérira efficacement le diabète de type 1. Les patients atteints de la maladie n'auront plus à surveiller de près leur glycémie et à s'injecter de l'insuline [7]. ViaCyte prévoit qu'une version expérimentale de cet implant sera disponible d'ici 2020 [7].

    En fin de compte, les scientifiques pensent qu'ils développeront des organes complexes en utilisant des cellules souches au cours de la prochaine décennie [8]. Over 115,000 people in the United States need a life-saving organ donation, and an average of 20 people die every day due to the lack of available organs for transplant, according to the American Transplant Foundation [9]. Three-dimensional printing of entire organs derived from stem cells holds the most promise for solving the organ shortage crisis [8]. Researchers at the University of California, San Diego have successfully printed part of a functional liver [8]. While the printed liver is not ready for transplant, it still performs the functions of a normal liver. This has helped scientists reduce the need for often cruel and unethical animal testing. The scientists expose drugs to the printed liver and observe how it reacts. The liver’s response closely mimics that of a human being’s and no living animals are harmed in the process [8].

    HUMAN CELLS OR HUMAN LIFE?

    Research using embryonic stems cells provides an unprecedented understanding of human development and the potential to cure devastating diseases. However, stem cell research has generated controversy among religious organizations such as the Catholic Church as well as the “pro-life” movement [3]. That is because scientists harvest stem cells from embryos donated by fertility clinics. Opponents of embryonicstem cell research equate the destruction of an embryo to the murder of an innocent human being [10]. Pope Benedict XVI said that harvesting stem cells is “not only devoid of the light of God but is also devoid of humanity” [3]. However, this view does not reflect a reasonable understanding and interpretation of basic biology. Researchers typically harvest embryonic stem cells from an embryo five days after fertilization [1]. At this stage, the entire embryo consists of less than 250 cells, smaller than the tip of a pin. Of these cells, only 30 are embryonic stem cells, which cannot perform any human function [11]. For comparison, an adult has more than 72 trillion cells, each with a specialized function [3]. Therefore, this microscopic blob of cells in no way represents human life.

    With no functional cells, there exist no characteristics of a human being. Fundamentalist Christians believe that the presence or absence of a heartbeat signifies the beginning and end of a human life [10]. However, at this stage there is no heart, not even a single heart cell [10]. Some contend that brain activity, or the ability to feel, defines a human being. Michael Gazzaniga, president of the Cognitive Neuroscience Institute at the University of California, Santa Barbara, explains in his book, The Ethical Brain, that the “fertilized egg is a clump of cells with no brain.” [12]. There is no brain nor nerve cells that could allow this cellular object to interact with its environment [12]. The only uniquely human feature of embryonic cells at this stage is that they contain human DNA. This means that a 5-day-old human embryo is effectively no different than the Petri dishes of human cells that have grown in laboratories for decades with no controversy or opposition. Therefore, if the cluster of cells in the earliest stage of a human embryo is considered a “human life,” a growing plate of skin cells must also be considered “human life.” Few would claim that a Petri dish of human cells is morally equivalent to a living human or any other animal. Why, then, would a microscopic collection of embryonic cells have the same moral status as an adult human?

    The status of the human embryo comes from its potentiel to turn into a fully grown human being. However, the potential of this entity to become an individual does not logically mean that it has the same status as an individual who can think and feel. If this were true, virtually every cell grown in a laboratory would be subject to the same controversy. This is because scientists have developed technology to convert an ordinary cell such as a skin cell into an embryo [10]. Although this requires a laboratory with special conditions, the normal development of a human being also requires special conditions in the womb of the mother. Therefore, almost any cell could be considered a potential individual, so it is illogical to conclude that a cluster of embryonic cells deserves a higher moral status.

    THE FATE OF UNUSED EMBRYOS

    Hundreds of thousands of embryos are destroyed each year in a process known as in vitro fertilization (IVF), a popular procedure that helps couples have children [13]. Society has an ethical obligation to use these discarded embryos to make medical advancements rather than simply throw them in the trash for misguided ideological and religious reasons as opponents of embryonic stem cell research desire.

    With IVF, a fertility clinician harvests sperm and egg cells from the parents and creates an embryo in a laboratory before implanting it in the woman’s womb. However, creating and implanting a single embryo is expensive and often leads to unsuccessful implantation. Instead, the clinician typically creates an average of seven embryos and selects the healthiest few to implant [13].

    This leaves several unused embryos for every one implanted. The couple can pay a fee to preserve the unused embryos by freezing them or can donate them to another family. Otherwise, they are slated for destruction [14]. A 2011 study in the “Journal of the American Society for Reproductive Medicine” found that 19 percent of the unused embryos are discarded and only 3 percent are donated for scientific research [14]. Many of these embryos could never grow into a living person given the chance because they are not healthy enough to survive past early stages of development [14]. If a human embryo is already destined for destruction or has no chance of survival, scientists have the ethical imperative to use these embryos to research and develop medical treatments that could save lives. The modern version of the Hippocratic oath states, “I will apply, for the benefit of the sick, all measures which are required [to heal]” [10]. Republican Senator Orrin Hatch of Utah supports the pro-life movement, which recognizes early embryos as human individuals. However, even he favors using the leftover embryos for the greater good. “The morality of the situation dictates that these embryos, which are routinely discarded, be used to improve and save lives. The tragedy would be in not using these embryos to save lives when the alternative is that they would be discarded.” [3]

    ALTERNATIVES TO EMBRYONIC STEM CELLS

    Although scientists have used embryonic stem cells (ESCs) for promising treatments, they are not ideal, and scientists hope to eliminate the need for them. Primarily, ESCs come from an embryo with different DNA than the patient who will receive the treatment, meaning they are not autologous. ESCs are not necessarily compatible with everyone and could cause the immune system to reject the treatment [11]. The most promising alternative to ESCs are known as induced pluripotent stem cells. In 2008, scientists discovered a way to reprogram human skin cells to embryonic stem cells [15]. Scientists easily obtained these cells from a patient’s skin, converted them into the desired cell type, then transplanted them into the diseased organ without risk of immune rejection [15]. This eliminates any ethical concerns because no embryos are harvested or destroyed in the process. However, induced stem cells have their own risks. Recent studies have shown that they can begin growing out of control and turn into cancer [3]. Several of the first clinical trials with induced stem cells, including one aimed at curing blindness by regenerating a patient’s retinal cells, were halted because potentially cancerous mutations were detected [3].

    Scientists believe that induced stem cells created in a laboratory will one day completely replace embryonic stem cells harvested from human embryos. However, the only way to create perfect replicas of ESCs is to thoroughly understand their structure and function. Scientists still do not completely understand how ESCs work. Why does a stem cell sometimes become a nerve cell, sometimes become a heart cell and other times regenerate to produce another stem cell? How can we tell a stem cell what type of cell to become? To develop a viable alternative to ESCs, scientists must first answer these questions with experiments on ESCs from human embryos. Therefore, extensive embryonic stem cell research today will eliminate the need for embryonic stem cells in the future.

    CONCLUSION

    The Biomedical Engineering Society Code of Ethics calls upon engineers to “use their knowledge, skills, and abilities to enhance the safety, health and welfare of the public.” [16] Stem cell research epitomizes this. Stem cells hold the cure for numerous diseases ranging from spinal cord injuries to organ failure and have the potential to transform modern medicine. Therefore, the donation of human embryos to scientific research falls within most conventional ethical frameworks and should be allowed with minimal restriction.

    Because of widespread ignorance about the science behind stem cells, ill-informed opposition has prevented scientists from receiving the funding and support they need to save millions of lives. For example, George W. Bush’s religious opposition to stem cell research resulted in a 2001 law severely limiting government funding for such research [3]. Although most opponents of stem cell research compare the destruction of a human embryo to the death of a living human, the biology of these early embryos is no more human than a plate of skin cells in a laboratory. Additionally, all embryos sacrificed for scientific research would otherwise be discarded and provide no benefit to society. If society better understood the process and potential of embryonic stem cell research, more people would surely support it.

    Within the next decade, stem cells will likely provide simple cures for diseases that are currently untreatable, such as Alzheimer’s disease and organ failure [1]. As long as scientists receive support for embryonic stem cell research, stem cell therapies will become commonplace in clinics and hospitals around the world. Ultimately, the fate of this new medical technology lies in the hands of the public, who must support propositions that will continue to allow and expand the impact of embryonic stem cell research.

    By Jonathan Sussman, Viterbi School of Engineering, University of Southern California

    ABOUT THE AUTHOR

    At the time of writing this paper, Jonathan Sussman was a senior at the University of Southern California studying biomedical engineering with an emphasis in biochemistry. He was an undergraduate research assistant in the Graham Lab investigating proteomics of cancer cells and was planning to attend an MD/PhD program.

    LES RÉFÉRENCES

    [1] “Stem Cell Information”, Stem Cell Basics, 2016. [Online]. Available at: https://stemcells.nih.gov/info/basics/3.htm [Accessed 11 Oct. 2018].

    [2] Cleveland Clinic, “Stem Cell Therapy for Heart Disease | Cleveland Clinic”, 2017. [Online]. Available at: https://my.clevelandclinic.org/health/diseases/17508-stem-cell-therapy-for-heart-disease [Accessed 14 Oct. 2018].

    [3] B. Lo and L. Parham, “Ethical Issues in Stem Cell Research”, Endocrine Reviews, 30(3), pp.204-213, 2009.

    [5] D. Cyranoski, “How human embryonic stem cells sparked a revolution”, Nature Journal, 2018. [Online]. Available at: https://www.nature.com/articles/d41586-018-03268-4 [Accessed 11 Oct. 2018].

    [6] K. McCormack, “Young man with spinal cord injury regains use of hands and arms after stem cell therapy”, The Stem Cellar, 2016. [Online]. Available at: https://blog.cirm.ca.gov/2016/09/07/young-man-with-spinal-cord-injury-regains-use-of-hands-and-arms-after-stem-cell-therapy/ [Accessed 11 Oct. 2018].

    [7] A. Coghlan, “First implants derived from stem cells to ‘cure’ type 1 diabetes”, Nouveau scientifique, 2017. [Online]. Available at: https://www.newscientist.com/article/2142976-first-implants-derived-from-stem-cells-to-cure-type-1-diabetes/ [Accessed 11 Oct. 2018].

    [8] C. Scott, “University of California San Diego’s 3D Printed Liver Tissue May Be the Closest We’ve Gotten to a Real Printed Liver”, 3DPrint.com | The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing, 2018. [Online]. Available at: https://3dprint.com/118932/uc-san-diego-3d-printed-liver/ [Accessed 11 Oct. 2018].

    [9] American Transplant Foundation, “Facts and Myths about Transplant”. [Online]. Available at: https://www.americantransplantfoundation.org/about-transplant/facts-and-myths/ [Accessed 11 Oct. 2018].

    [10] A. Siegel, “Ethics of Stem Cell Research”, Encyclopédie de philosophie de Stanford, 2013. [Online]. Available at: https://plato.stanford.edu/entries/stem-cells/ [Accessed 11 Oct. 2018].

    [11] I. Hyun, “Stem Cells – The Hastings Center”, The Hastings Center, 2018. [Online]. Available at: https://www.thehastingscenter.org/briefingbook/stem-cells/ [Accessed 11 Oct. 2018].

    [12] M. Gazzaniga, “The Ethical Brain”, New York: Harper Perennial, 2006.


    Hematopoietic stem cells: where to start?

    With “in-house” monoclonal antibodies and cell separation techniques at hand, we embarked in the late 1980s on activities that remain very popular to this day: purify stem cells as best as possible and study the behavior of such cells in culture in response to endless culture variables. The goal was to identify culture conditions that would allow meaningful “expansion” of stem cells in vitro for clinical applications. This strategy was based on compelling direct and indirect evidence supporting the “self-renewal” of stem cells in vivo. For example, in the mouse it is possible to isolate a single stem cell, transplant it into a lethally irradiated recipient, observe donor cell bone marrow reconstitution, and harvest many stem cells after a few weeks. 32 Despite claims to the contrary, 33 the best murine stem-cell purification procedures did not yet yield “pure” stem cells in the late 1980s, and my own work at the time was primarily focused on the human system. Apart from differences in telomere biology (discussed later) it is probably true that the frequency of stem cells in human bone marrow is several orders of magnitude lower than in the mouse. Jan Abkowitz and her collaborators in Seattle have made compelling arguments (Shepherd et al 34,35 ) in support of the idea that the absolute number of stem cells and the number of times they divide are very similar in all mammals. If this is correct, the estimated 10 4 to 10 5 stem cells in the mouse are distributed over approximately 2 liters of bone marrow in humans. Based on this estimate, the frequency of stem cells in adult human bone marrow is expected to be less than 1 per 10 7 nucleated bone marrow cells. No wonder attempts to purify, genetically modify, or expand human adult stem cells have run into hard times. It seems very possible that the low frequency of actual stem cells in human bone marrow (and “mobilized” peripheral blood) represents a major, underappreciated challenge for both basic studies and clinical applications.

    To avoid variables in the quality and quantity of human blood and bone marrow samples available for my research, I decided to work with previously frozen aliquots of bone marrow cells from cadaver organ donors. This was a great advance because it avoided biologic variation among samples and allowed systematic work on stem-cell purification, assays, and culture. Based on the work of Mike Dexter et al who had developed culture systems for murine hematopoietic cells, 36 we developed a surrogate assay for human stem cells using limiting dilution strategies based on the their presumed ability to initiate long-term cultures. 37 Other approaches to measure human stem cells were explored by John Dick in Toronto, who transplanted human stem cells into immune-deficient animals. 38 Both assays have been very useful in human stem-cell research. However, doubts remain about the efficiency, reproducibility, and cell types measured in either assay relative to the cells that sustain normal hematopoiesis or the cells that repopulate bone marrow upon transplantation.

    Another area of interest was the development of tissue culture medium for human hematopoietic cells. 39 Most tissue culture media were developed and optimized for various immortal cell lines more than 50 years ago, and it seemed reasonable to assume that primary human hematopoietic cells could have different requirements. My work in this area was inspired by Norman Iscove, who had developed a superior serum-free medium for the growth of B cells and hybridomas (Iscove and Melchers 40 ). In view of the doubts about which cells to study and the unknown growth factor requirements of primary hematopoietic (stem) cells, our progress was limited. Nevertheless, the recipe we developed (containing high levels of transferrin and low-density lipoproteins) is still used and probably provides a good starting point for further work in this important area. 39,41


    Mesenchymal Stem Cells in Human Health and Diseases

    Mesenchymal Stem Cells in Human Health and Diseases provides a contemporary overview of the fast-moving field of MSC biology, regenerative medicine and therapeutics. MSCs offer the potential to dramatically reduce human suffering from disease. Numerous MSC-based studies are ongoing each year, each offering hope for novel treatments in human disease. This book provides information on MSC application in well-studied human diseases and tissue repair/regeneration and recent advances in their research and treatment. These discoveries are placed within the structural context of tissue and developmental biology in sections dealing with recent advances in our understanding of MSC biology.

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    Average Amount of normal stem cells in a given organ - Biology

    Table 1: Number of cells in selected organisms based on counting using light or electron microscopy for values smaller than 10,000, or for larger values, estimated based on average cell size and total organism size.

    The fact that all organisms are built of basic units, namely cells, is one of the great revelations of biology. Even though often now taken as a triviality, it is one of the deepest insights in the history of biology and serves as a unifying principle in a field where diversity is the rule rather than the exception. But how many cells are there in a given organism and what controls this number and their size? The answer to these questions can vary for different individuals within a species and depends critically on the stage in life. Table 1 attempts to provide a feel for the range of different cell counts based upon both measurements and simple estimates. This will lead us to approach the classic conundrum: does a whale vary from a mouse mostly in the number of cells or is it the sizes of the cells themselves that confer these differences in overall body size?

    Figure 1: Estimate of the number of cells in a human body based on characteristic volumes.

    Figure 2: Estimate of the number of cells in an adult human divided by cell type. Each cell type in the human body is represented as a polygon with an area proportional to the number of cells. The dominant component is red blood cells. Based on data from R. Sender et al., in preparation, 2015.

    Perhaps the most intriguing answer to the question of cell counts is given by the case of C. elegans, remarkable for the fact that every individual has the same cell lineage resulting in precisely 1031 cells (BNID 100582) from one individual to the next for males and 959 cells (BNID 100581) for hermaphrodites (females also capable of self fertilization). Specific knowledge of the cell inventory in C. elegans makes it possible to count the number of cellular participants in every tissue type and reaches its pinnacle in the mapping of most synaptic connections among cells of the nervous system (including the worm “brain”) where every worm contains exactly 302 neurons. These surprising regularities have made the worm an unexpected leading figure in developmental biology and neuroscience. It is also possible to track down the 131 cells (BNID 101367) that are subject to programmed cell death (apoptosis) during embryonic development. Though not examined to the same level of detail, there are other organisms besides C. elegans that have a constant number of cells and some reveal the same sort of stereotyped development with specific, deterministic lineages of all cells in the organism. Organisms that contain a fixed cell number are called eutelic. Examples include many but not all nematodes, as well as tardigrades (aka, water bears) and rotifers. Some of our closest invertebrate relatives, ascidians such as Ciona, have an apparently fixed lineage as embryos, but they do not have a fixed number of cells as adults, which arise from metamorphosis of their nearly eutelic larvae. Having a constant number of cells therefore does not seem to have any particular evolutionary origin but rather seems to be a common characteristic of rapidly developing animals with relatively small cell numbers (on the order of 1000 somatic cells).

    Figure 3: Plant and organ size changes from domestication, breeding hybridization and transgenic modification. These variations are found to be mostly driven by change in cell number. Fruit size of wild and domesticated species: (A) wild relative species of pepper, Capsicum annuum cv. Chiltepin (left) and bell pepper (right) (B) wild relative species of tomato, Solanum (left), Solanum esculentum cv Giant Red (right)

    In larger organisms, the cellular census is considerably more challenging. One route for making an estimate of the cellular census is to resort to estimates based upon volume as shown in Figure 1. For example, a human with a mass of ≈100 kg will have a volume of ≈10 -1 m 3 . Mammalian cells are usually in the volume range 10 3 -10 4 μm3=10 15 -10 -14 m 3 , implying that the number of cells is between ≈10 13 -10 14 which is the range quoted in the literature (BNID 102390). Though the sizes (linear dimension) of eukaryotic organisms can vary by more than 10 orders of magnitude, the size of their cells measured by the “radius”, for example, usually varies by only a factor of ten at most except for intriguing exceptions such as the cells of the nervous system and oocytes. However, the level of accuracy of estimates like those given above on the basis of volume should be viewed with a measure of skepticism as can be easily seen by considering your recent blood test results. The normal red blood cell count is 4-6 million such cells per microliter. With about 5 liters of blood in an adult this results in an estimate of 3吆 13 such cells rushing about in your blood stream, already for this cell type alone as many as the total number of cells in a human body we estimated using volume arguments. The disagreement with the estimate above results from the fact that red blood cells are much smaller than the characteristic mammalian cell at about 10 2 μm 3 in volume. This shows how the above estimate should in fact be increased (and several textbooks revised). A census of the cells in the body was achieved by methodically analyzing different cell types and tissues arriving at a value of 3.7±0.8吆 13 cells in a human adult (BNID 109716). The breakdown by cell type for the major contributors is shown in Figure 2. The numerical dominance of red blood cells is visually clear. Of course we do not account for bacterial cells or other residents in our body, the number of cells composing this so called microbiota outnumber our human cells by a factor still unknown but probably closer to a hundred than to the often quoted value of ten.

    Figure 4: Adipocyte number remains stable in adulthood, although significant weight loss can result in a decrease in adipocyte volume. Total adipocyte number from adult individuals (squares) was combined with previous results for children and adolescents (circles) The adipocyte number increases in childhood and adolescence. (Adapted from K. L. Spalding, Nature 453:783, 2008.)

    What is the connection between organism size, cell size and cell number? Or to add some melodrama, does a whale mostly have larger cells or more cells than a mouse? In studying the large variation in fruit organ size as shown in Figure 3 it was found that the change in the number of cells is the predominant factor driving size variability. In the model plant Arabidopsis thaliana, early versus later leaves vary in total leaf area from 30 to 200 mm 2 (BNID 107043). This variation comes about as a result of a concomitant change in cell number from 20,000 to 130,000 with cell area remaining almost constant at 1600 μm 2 (BNID 107044). In contrast, in the green revolution that tripled yields of rice and wheat in the 1970’s, a major factor was the introduction of miniature strains where the smaller size makes it possible for the plant to support bigger grains without falling over. The smaller cultivars were achieved through breeding for less response to the plant hormones gibberellins that affects stem cell elongation. In this case, a decrease in cell size, not cell number, is the dominant factor, a change in the underlying biology of these plants that helps feed over a billion people.

    When the ploidy of the genome is changed the cells tend to change size accordingly. For example, cells in a tetraploid salamander are twice the size of those in a diploid salamander, although the corresponding organs in the two animals have the same size. Everything fits well because the tetraploid salamander contains half as many cells as the diploid (BNID 111481).

    Figure 5: Average fat cell size as a function of body fat mass. As the fat content of a person increases the average adipocyte volume initially increases almost linearly and then saturates. Thus the change in total fat among humans can be attributed mostly to larger cells of a similar number and at more extreme disparities also to change in the number of fat cells. (Adapted from K. L. Spalding, Nature 453:783, 2008.)


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    Part II: Does Stem Cell Therapy Work?

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    If you’re just learning about stem cells now, you’re probably skeptical about whether they actually work, and how much of a change can they actually produce for patients.

    We’ll give you information from three sources to form an opinion of your own:

    • Medical research
    • Professional world-class athlete cases
    • Our own patient stories

    Stem Cell Results in Medical Research

    Study 1 [29] : “Osteoarthritis and stem cell therapy in humans: a systematic review” (June 2018)

    Problem treated: Osteoarthritis
    Number of patients: 2,390
    Nature of stem cells: Adipose (fat) tissue [50% of cases] bone marrow [50% of cases]
    Résultats: Stem cell therapy had a positive effect on osteoarthritis patients

    Study 2 [30] : “Cell-Based Therapies for Lumbar Discogenic Low Back Pain” (January 2018)

    Problem treated: Low back pain
    Number of patients:
    Nature of stem cells: Moelle
    Résultats: Stem cell therapy significantly reduced low back pain for all patient groups

    Study 3 [31] : “Stem cells – biological update and cell therapy progress” (May 2017)
    Problem treated: Spinal cord injury (SCI)
    Number of patients: 377
    Nature of stem cells:
    Résultats: Stem cell therapy is a safe and efficient SCI treatment, improving sensory and bladder functions

    Study 4 [32] : “Stem cell therapy for diabetic foot ulcers: a review of preclinical and clinical research” (July 2018)

    Problem treated: Diabetic foot ulcers (DFU)
    Number of studies involved: 89
    Nature of stem cells:
    Résultats:

    • Stem cell therapy is an effective treatment method for diabetic foot ulcers patients
    • Stem cell therapy is a good alternative to amputation

    Study 5 [33] : “Biologic augmentation of rotator cuff repair with mesenchymal stem cells during arthroscopy improves healing and prevents further tears: a case-controlled study” (September 2014)

    Problem treated: Rotator cuff repair re-tear rates go as high as 90
    Number of patients: 90
    Nature of stem cells: Moelle
    Résultats: 100% of rotator cuff repairs stayed intact 6 months after the procedure for stem cell patients, compared to 67% of the control group.

    There are thousands of similar studies, most of which arrive at similar conclusions:

    • Stem cells provide a positive effect in most orthopaedic cases
    • Cellules souches complications re typically limited to mild, temporary side effects

    Cellules souches are not the cure-all for any patient, but they do help tremendously in the right situations

    Stem Cell Results in Professional Athletics

    A number of high-profile sports stars have undergone the procedure.

    Rafael Nadal: Stem Cell Treatment for Spine

    In 2014, one of the world’s most decorated tennis players, Rafael Nadal, underwent stem cell therapy [34] .

    The problem they were to treat was a common one for tennis players: a back injury, caused by deteriorating cartilage around one of his lower spine joints.

    The treatment took place over the course of 5 weeks, which enabled Nadal to keep leading positions in the world’s tennis scene.

    The therapy was so successful that Nadal underwent a second treatment soon after for a knee injury.

    Pau Gasol: Stem Cell Therapy for Knees

    The 2013 season was defined by traumas and missed games for one of the NBA’s best power forwards, Pau Gasol.

    The degenerating cartilage tissue around the athlete’s knees was limiting the veteran athlete to the bench [35] . The problems were causing severe pain and stopped the player from moving freely around the court.

    Gasol underwent an autologous stem cell transplantation the same year. The treatment was aimed at restoring the degenerative tissue and stimulate growth.

    Peyton Manning: Stem Cell Treatment for Neck

    Peyton Manning, the legendary quarterback for the Indianapolis Colts, was the original case study in stem cell therapy for athletes.

    The football superstar was suffering from a bulging disk [36] , which caused severe neck pain and restricted mobility.

    Manning turned to stem cell specialist in Europe, where adipose (fat) tissue stem cells had been harvested from the athlete and administered into the problematic area. The main focus was on regenerating damaged nerve tissue around the area.

    Before that, Peyton Manning had undergone surgical treatment several times, to little effect.

    The therapy proved successful and allowed the quarterback to return to the game, setting new standards for injury and chronic condition therapy in professional sports.

    Cristiano Ronaldo: Stem Cell Therapy for Knees

    After an unsuccessful fall during the 2016 match versus Villarreal, CT scans showed that the problem was more than a muscle spasm: it was a torn cartilage.

    Ronaldo turned to stem cell therapy [37] to avoid the risk associated with surgical intervention.

    Reportedly, part of the reason why the soccer superstar turned to alternative treatments was the fact that he “lost all faith” in the medical staff at Santiago Bernabeu, his home stadium.

    Other Athletes Who Have Undergone Stem Cell Therapy

    • Kobe Bryant (Source [38] )
    • Tiger Woods (Source [39] )
    • Stephen Curry (Source [40] )
    • David Payne (Source [41] )
    • Jarvis Green (Source [42] )

    Stem Cell Results In Our Own Patients

    Visit stories of a few of our patients.

    Disclaimer: results may vary from patient to patient. Please contact us to get a detailed explanation.

    Bryan Plaster, 40 Years Old: From Crashing Into a Tree to Running 40 Miles a Day

    Problem treated: Knee injury
    Cause of the problem: Snowboarding accident
    Nature of stem cells: Bone marrow and adipose (fat) tissue
    Résultats: The tear was resolved completely the damaged fibers restored fully

    Joey Varner, 40 Years Old: Shoulder and Hip Arthritis, Rotator Cuff Tendonitis Treated

    Problem treated: Shoulder and hip arthritis, rotator cuff tendonitis
    Cause of the problem: Mechanical wear and tear from years of contact (martial arts) sports. Several surgeries didn’t resolve the issue, causing stiffness and pain
    Nature of stem cells: Adipose (fat) tissue
    Résultats: Almost 100% restored range of motion in hip and shoulder 100% reduction in pain

    Bob Kendzior, Senior: From Chronic Arthritis and Injury to Normal Everyday Life

    Problem treated: Arthritic condition in both knees shoulder and hip injury
    Cause of the problem: Mechanical wear and tear, sudden trauma
    Nature of stem cells: Adipose (fat) tissue
    Résultats: Bob is back to normal life he likes to “run, walk, bicycle, golf and run”

    Want to activate your body’s natural ability to heal itself?


    Remerciements

    We apologize to those colleagues whose work could not be referenced directly owing to space constraints. D.L.J. is funded by the Emerald Foundation, the G. Harold and Leila Y. Mathers Charitable Foundation, the ACS, the California Institute for Regenerative Medicine (CIRM), and the NIH (R01 AG028092). T.A.R. is funded by the NIH (R37 AG23806, R01 AR056849 and an NIH Director's Pioneer Award), the Glenn Foundation for Medical Research, the Department of Veterans Affairs (Merit Review) and the Amertical Federation for Aging Research (“Breakthroughs in Gerontology” (BIG) Award).