La transplantation traditionnelle repose sur la comparaison entre donneur et receveur d'antigènes leucocytaires humains (HLA), mais même avec des correspondances étroites, l'immunosuppression permanente est nécessaire pour prévenir le rejet.Cette approche est loin d'être idéale, conduisant à une morbidité importante et limitant le nombre de greffes viables. Cependant, les progrès récents de la technologie de l'édition des gènes CRISPR (Clustered Regularly Interspaceed Short Palindromic Repeat) ouvrent une nouvelle voie vers la création d'organes immunologiquement invisibles, des organismes qui pourraient être transplantés dans n'importe quel receveur sans déclencher une réponse immunitaire destructrice. En modifiant précisément le génome des animaux donneurs, en particulier les porcs, les scientifiques sont maintenant en mesure d'éliminer ou de modifier les gènes spécifiques qui causent un rejet hyperacute, ainsi que de s'attaquer à d'autres obstacles immunitaires.

Comprendre la technologie CRISPR

Le CRISPR est un outil de synthèse génétique dérivé d'un système de défense bactérienne naturel. Il se compose de deux composantes principales : un ARN guide qui dirige le système vers une séquence d'ADN spécifique, et une protéine Cas (souvent Cas9) qui agit comme ciseaux moléculaires pour couper l'ADN à cet endroit précis. Une fois coupé, les mécanismes de réparation naturels de la cellule peuvent être utilisés pour perturber un gène (knockout) ou insérer une nouvelle séquence (knock-in). Cette technologie a accéléré la recherche génétique en raison de sa simplicité, de son efficacité et de sa polyvalence relatives par rapport à des méthodes antérieures comme les nucléases de zinc-doigt ou les TALEN.

Les chercheurs peuvent maintenant concevoir le génome d'un embryon porcin pour lui permettre de ne pas avoir de multiples gènes qui déclenchent des réponses immunitaires humaines, et ces modifications sont héréditaires, ce qui permet la création de troupeaux de porcs modifiés pour la récolte d'organes. Au cours de la dernière décennie, le CRISPR est passé d'une curiosité de laboratoire à un outil avec un potentiel thérapeutique réel, et son application en xénotransplantation est l'une des frontières les plus prometteuses.

Pourquoi les porcs? Le modèle animal préféré

Les porcs sont considérés comme la source la plus appropriée pour la xénotransplantation en raison de similitudes anatomiques et physiologiques avec les humains, ainsi que de leur reproduction et de leur évolutivité rapides. Les organes de porcs, c'est-à-dire le cœur, les reins, le foie et les poumons, sont à peu près de la même taille que les organes humains, et leur physiologie cardiovasculaire est comparable. Cependant, les porcs portent certains gènes qui produisent des sucres et des protéines à la surface de leurs cellules, qui sont reconnus par le système immunitaire humain comme étant étrangers, ce qui entraîne un rejet rapide.

Genes clés ciblés pour les organes donateurs universels

Alpha-1,3-Galactosyltransférase (GGTA1)

Le gène GGTA1 code une enzyme qui attache des sucres alpha-gal aux surfaces cellulaires. La suppression de GGTA1 élimine la cible primaire pour les anticorps préexistants humains. Cette modification a été une réalisation historique et est maintenant standard dans les modèles de porc génétiquement modifiés pour la xénotransplantation. Les porcs GGTA1-knockout ont été montrés pour éviter le rejet hyperaigu lorsque leurs organes sont transplantés dans des primates non humains, mais il reste des barrières supplémentaires.

Cytidine Acid N-acétylneuraminique monophosphate Hydroxylase (CMAH)

Le CMAH est responsable de la production d'un sucre appelé Neu5Gc, un autre xénoantigène que les humains manquent. Les humains ont des anticorps anti-Neu5Gc circulant en raison de l'exposition alimentaire, donc expulser le CMAH réduit encore la reconnaissance immunitaire.

Bêta-1,4-N-acétylgalactosaminyltransférase 2 (B4GALNT2)

Le gène B4GALNT2 ajoute une autre structure glucidique (antigène Sda) qui est également immunogène chez l'homme. Des porcs à triple ancrage dépourvus de GGTA1, CMAH et B4GALNT2 sont actuellement en cours de développement pour couvrir les principaux xénoantigènes.

Antigènes leucocytaires du porc (LLA) des classes I et II

Au-delà des antigènes glucidiques, le complexe d'histocompatibilité majeur du porc (MHC) – connu sous le nom de SLA – est une cible majeure pour le rejet cellulaire. Les cellules T humaines peuvent reconnaître les molécules de SLA et monter une attaque immunitaire. Le CRISPR peut être utilisé pour éliminer les gènes de classe I et/ou II de SLA, en supprimant efficacement les cibles primaires pour le rejet de cellules T. Cependant, l'élimination complète du MHC peut également éliminer les cellules immunitaires bénéfiques qui aident à protéger l'organe de l'infection – un compromis que les chercheurs évaluent soigneusement.

Modifications supplémentaires compatibles avec l'être humain

Pour atténuer davantage la réponse immunitaire, les chercheurs insèrent des transgènes humains dans le génome porcin. Par exemple, l'insertion de protéines régulatrices de complément humain (CD46, CD55, CD59) aide à protéger les cellules porcines de la cascade du complément humain. L'insertion de thrombomoduline humaine et de TFPI peut prévenir les anomalies de coagulation qui surviennent lorsque l'endothélium de porc est exposé au sang humain. Certains modèles de porcs avancés portent maintenant jusqu'à 10 modifications génétiques ou plus, combinant des cassures de xénoantigènes avec des incohérences de gènes protecteurs humains.

Une liste complète des gènes ciblés dans la xénotransplantation se trouve dans l'examen de Hryhorowicz et al. (2019) publié dans Frontiers in Immunology.

Recherche et progrès actuels

Des progrès importants ont été réalisés au cours des cinq dernières années, jusqu'à la première transplantation expérimentale d'un coeur de porc génétiquement modifié en un patient humain vivant en janvier 2022 à l'Université du Maryland. Le porc a subi 10 modifications génétiques : trois occurrences pour éliminer les principaux antigènes glucidiques (GGTA1, CMAH, B4GALNT2) et six insertions transgéniques humaines (CD46, CD55, CD47, thrombomoduline humaine, hème oxygénase humaine-1 et récepteur de protéine C endothéliale humaine). Le patient, David Bennett, a survécu pendant deux mois avec le fonctionnement cardiaque bien avant que son état se détériore en raison d'une combinaison complexe de facteurs, y compris une possible réactivation du cytomégalovirus porcin et un rejet immunitaire.

Parallèlement, des chercheurs de diverses institutions ont atteint la survie à long terme des reins de porcs dans des primates non humains en combinant des modifications génétiques et des protocoles immunosuppresseurs. Par exemple, une équipe de l'hôpital général du Massachusetts a signalé la survie des reins de porcs avec des effusions GGTA1 uniques et des protéines régulatrices de complément humain pendant plus d'un an dans des babouins, bien qu'avec une immunosuppression intensive. Plus récemment, l'ajout de CD47 (un signal « ne me mange pas ») a encore réduit la phagocytose des cellules porcines par les macrophages humains.

En dehors de la xénotransplantation, le CRISPR est également en cours d'étude pour modifier les organes humains. Par exemple, les systèmes de perfusion ex vivo pourraient permettre l'édition génétique des organes humains donnés pour éliminer ou modifier les gènes de l'HLA, ce qui les rend adaptés aux destinataires, indépendamment de l'anomalie de l'HLA, une stratégie connue sous le nom de transplantation « universelle » d'organes humains.

Défis à surmonter

Rejet d'une immune au-delà des barrières xénogéniques

Même avec une analyse génétique approfondie, le système immunitaire est complexe et redondant. Rejet par anticorps, réponses cellulaires T et immunité innée tous les défis actuels. Actuellement, même les organes de porc les plus fortement modifiés nécessitent toujours une immunosuppression importante chez les receveurs, soulevant des préoccupations quant à la sécurité à long terme et au risque d'infection.

Risque d'infections zoonotiques

Les porcs sont porteurs de virus qui peuvent infecter les cellules humaines, notamment les rétrovirus endogènes porcins (PERV), qui sont intégrés dans le génome porcin et ne peuvent pas être enlevés par la reproduction conventionnelle. Le CRISPR a été utilisé pour inactiver tous les PERV dans les cellules porcines en ciblant leurs gènes polymérases (les copies PERV-C et PERV-A). Cependant, prouver qu'un porc est complètement exempt de PERV actifs et d'autres pathogènes inconnus est difficile.

Sécurité et stabilité des éditions de gènes multiples

La modification de plusieurs gènes dans la même cellule augmente le risque de mutations hors-cible, de réarrangements chromosomiques ou d'effets non intentionnels sur la cible. La santé à long terme des porcs porteurs de nombreuses modifications est également préoccupante – certaines modifications pourraient nuire à la fonction normale des organes ou causer des anomalies de développement. Le phénotypage rigoureux des porcs modifiés est essentiel avant que les organes soient considérés comme sûrs pour l'usage humain.

Les obstacles réglementaires et éthiques

La xénotransplantation à l'aide d'animaux génétiquement modifiés soulève des préoccupations éthiques au sujet du bien-être des animaux, de la modification des génomes animaux et du risque de conséquences écologiques imprévues si les animaux s'enfuyaient. L'éthique de l'utilisation de sujets humains pour les essais initiaux, en particulier lorsque des traitements conventionnels sont disponibles (p. ex., dialyse pour l'insuffisance rénale), est également débattue.

Considérations d'éthique et de sécurité

Le paysage éthique des organes donneurs universels édités par le CRISPR est multiforme. D'une part, le potentiel de sauver des milliers de vies chaque année est immense – la liste d'attente pour les organes aux États-Unis comprend seulement plus de 100 000 individus, et beaucoup meurent avant de recevoir une transplantation. La xénotransplantation pourrait offrir un approvisionnement illimité d'organes, éliminant le besoin de donneurs décédés et réduisant le tourisme de transplantation et le commerce illégal d'organes. D'autre part, la création de porcs avec des transgènes humains brouille les frontières des espèces et soulève des questions sur le statut moral de ces animaux.

D'un point de vue de la sécurité, la principale préoccupation est l'émergence d'une nouvelle maladie du porc à l'humain.Les PERV sont le risque le plus étudié, mais d'autres agents pathogènes du porc (p. ex. cytomégalovirus porcin, herpèsvirus lymphotrope porcin) peuvent également infecter les cellules humaines. Un dépistage rigoureux des porcs donneurs et une prophylaxie potentiellement antivirale seront nécessaires. De plus, l'utilisation du CRISPR dans les cellules germinales (embryons de microorganismes) entraîne des changements héréditaires, une technologie qui n'est pas autorisée chez les humains à des fins de reproduction, mais qui est jugée acceptable chez les animaux à des fins médicales sous surveillance éthique.

L'Organisation mondiale de la santé (OMS) a mis sur pied un programme dédié à la xénotransplantation pour fournir des conseils internationaux et coordonner les approches réglementaires, en mettant l'accent sur les principes éthiques et les normes de sécurité.

Perspectives et conclusion futures

La voie vers les organes donneurs universels en est encore à ses premiers stades, mais la convergence de la technologie CRISPR, les progrès en immunologie et une compréhension plus approfondie des barrières à la xénotransplantation offrent un optimisme sans précédent.À court terme (5-10 ans), des essais cliniques limités sur les reins et les cœurs de porcs génétiquement modifiés sont susceptibles de commencer, potentiellement comme thérapies de pont pour les patients ayant un besoin urgent et aucune autre option.

Par exemple, l'édition CRISPR d'organes humains pendant la perfusion ex vivo pourrait «universaliser» le type de sang ou le statut de HLA, ce qui rendrait tout organe donné adapté à tout receveur, ce qui mettrait fin efficacement au problème des pénuries d'organes dues à l'incompatibilité immunologique. Toutefois, ces approches font face à des défis techniques importants, notamment la nécessité d'une édition rapide et approfondie des gènes sans endommager l'organe, et le coût élevé de l'élaboration de protocoles d'édition personnalisés.

En conclusion, la technologie CRISPR transforme le paysage de la médecine de transplantation en permettant la création d'organes animaux génétiquement modifiés qui peuvent échapper au système immunitaire humain. Bien que des obstacles liés à la sécurité, à l'efficacité et à l'éthique demeurent, les premières transplantations réussies de porcs à humains ont déjà démontré le potentiel de cette approche.Avec des investissements continus dans la recherche, une surveillance réglementaire rigoureuse et un dialogue ouvert avec le public, les organes donneurs universels pourraient devenir une réalité dans la prochaine décennie, sauver d'innombrables vies et relever l'un des défis les plus critiques en médecine moderne.