300px|thumb|right|Cellules souches embryonnaires humaines en culture.
Une cellule souche embryonnaire (CSE) est une cellule souche pluripotente issue de la masse cellulaire interne ou de l'épiblaste d’un embryon préimplantatoire au stade de blastocyste. Un embryon humain atteint le stade de blastocyste 4 à 5 jours après la fécondation et consiste en un amas de 50 à 150 cellules (masse cellulaire interne et trophectoderme). L'isolation de la masse cellulaire interne requiert de détruire le blastocyste.
Les cellules souches embryonnaires sont une source quasi parfaite pour les greffes et l'ingénierie tissulaire. La capacité d'une cellule souche à générer l'ensemble des cellules du corps en fait un outil clé pour la recherche sur les maladies humaines, notamment génétiques, ou pour tester in vitro la toxicologie de médicaments.
Cependant, l'isolation de cellules souches embryonnaires pose un questionnement éthique qui nécessite notamment d'établir si un embryon au stade préimplantatoire possède les mêmes droits légaux et moraux qu'un être humain plus développé. À l'inverse, ne pas utiliser ces cellules capables de sauver des vies est-il juste, alors que les embryons préimplantatoires surnuméraires ne seront pas utilisés et donc détruits ? Il n'existe pas de consensus et la législation sur l'obtention et l'utilisation en recherche de ces cellules souches embryonnaires varie selon les pays.
Une des alternatives aux cellules souches embryonnaires est d'utiliser des cellules souches pluripotentes induites qui sont générées à partir de cellules différenciées (par exemple, des cellules de peau) et ne présentent donc pas ce même dilemme éthique.
Propriété Les cellules souches embryonnaires, dérivées du blastocyste des embryons de mammifères, se distinguent par leur capacité à se différencier en n'importe quel type de cellule embryonnaire et par leur capacité à s'auto-renouveler. Ce sont ces caractéristiques qui les rendent précieuses dans les domaines scientifique et médical. Les cellules souches embryonnaires ont un caryotype normal, maintiennent une activité télomérase élevée et présentent un potentiel de prolifération remarquable à long terme.
Pluripotence
Les cellules souches embryonnaires de l'épiblaste sont pluripotentes, ce qui signifie qu'elles sont capables de se différencier pour générer un ectoderme primitif, qui se différencie finalement pendant la gastrulation en tous les dérivés des trois couches germinales primaires : l'ectoderme, l'endoderme et le mésoderme. Ces couches germinales génèrent chacun des plus de 220 types de cellules du corps humain adulte. Lorsqu’elles reçoivent les signaux appropriés, les cellules souches embryonnaires forment initialement des cellules précurseurs qui se différencient ensuite en types de cellules souhaités. La pluripotence distingue les cellules souches embryonnaires des cellules souches adultes, qui sont multipotentes et ne peuvent produire qu'un nombre limité de types cellulaires.
Auto-renouvellement et réparation de la structure Dans des conditions définies, les cellules souches embryonnaires sont capables de s’auto-renouveler indéfiniment dans un état indifférencié. Les conditions d'auto-renouvellement doivent empêcher les cellules de s'agglutiner et maintenir un environnement qui favorise un état non différencié. Cela se fait généralement en laboratoire avec des milieux contenant du sérum et du facteur inhibiteur de leucémie (LIF) ou des suppléments de milieux sans sérum avec deux médicaments inhibiteurs (« 2i »), l'inhibiteur de MEK et l'inhibiteur de GSK-3.
Prolifération vignette|335x335px|Cycle cellulaire d'une cellule eucaryote Les cellules souches embryonnaires se divisent très fréquemment en raison d'une phase G1 raccourcie dans leur cycle cellulaire. La division cellulaire rapide permet aux cellules de croître rapidement en nombre, mais pas en taille, ce qui est important pour le développement précoce de l'embryon. Dans les cellules souches embryonnaires, les protéines cycline A et cycline E impliquées dans la transition G1/S sont toujours exprimées à des niveaux élevés.. Les kinases dépendantes des cyclines telles que CDK2 qui favorisent la progression du cycle cellulaire sont hyperactives, en partie à cause de la régulation négative de leurs inhibiteurs. Les protéines du rétinoblastome qui inhibent le facteur de transcription E2F jusqu'à ce que la cellule soit prête à entrer en phase S sont hyperphosphorylées et inactivées dans les cellules souches embryonnaires, conduisant à une expression continue des gènes de prolifération. Ces changements entraînent des cycles accélérés de division cellulaire. Bien que des niveaux d'expression élevés de protéines pro-prolifératives et une phase G1 raccourcie aient été associés au maintien de la pluripotence, les cellules souches embryonnaires cultivées dans des conditions avec 2 inhibiteurs (2i) sans sérum expriment des protéines actives hypophosphorylées du rétinoblastome et ont une phase G1 allongée. Malgré cette différence dans le cycle cellulaire par rapport aux cellules souches embryonnaires cultivées dans des milieux contenant du sérum, ces cellules ont des caractéristiques pluripotentes similaires. Les facteurs de pluripotence Oct4 et Nanog jouent un rôle dans la régulation transcriptionnelle du cycle des cellules souches embryonnaires.
Usages
En raison de leur plasticité et de leur capacité potentiellement illimitée d’auto-renouvellement, les thérapies à base de cellules souches embryonnaires ont été proposées pour la médecine régénérative et le remplacement des tissus après une blessure ou une maladie. Les cellules souches pluripotentes se sont révélées prometteuses dans le traitement d'un certain nombre de maladies variées, notamment : les lésions de la moelle épinière, la dégénérescence maculaire liée à l'âge, le diabète, les troubles neurodégénératifs (comme la maladie de Parkinson), le SIDA, etc. En plus de leur potentiel en médecine régénérative, les cellules souches embryonnaires constituent une source alternative possible de tissus/organes qui constitue une solution possible au dilemme de la pénurie de donneurs. Il existe cependant quelques controverses éthiques à ce sujet. Outre ces utilisations, les CES peuvent également être utilisés pour la recherche sur le développement humain précoce, certaines maladies génétiques et les tests toxicologiques in vitro.
Techniques et conditions de dérivation et de culture Dérivation à partir de l'Homme thumb|Embryon humain à 5 jours La fécondation in vitro génère plusieurs embryons. Le surplus d'embryons n'est pas utilisé cliniquement ou est impropre à l'implantation chez le patient et peut donc être donné par le donneur avec son consentement. Les cellules souches embryonnaires humaines peuvent être dérivées de ces embryons donnés ou, en outre, elles peuvent également être extraites d'embryons clonés créés à l'aide d'une cellule provenant d'un patient et d'un ovule donné par le biais du processus de transfert nucléaire de cellules somatiques. La masse cellulaire interne , issue du stade blastocyste de l'embryon, est séparée du trophectoderme, les cellules qui se différencieraient en tissu extra-embryonnaire. L'immunochirurgie, processus dans lequel les anticorps sont liés au trophectoderme et éliminés par une autre solution, et une dissection mécanique sont effectuées pour réaliser la séparation. Les cellules de la masse cellulaire interne résultantes sont plaquées sur des cellules qui fourniront un support. Les cellules de la masse cellulaire interne s'attachent et se développent pour former une lignée cellulaire embryonnaire humaine, indifférenciée. Ces cellules sont nourries quotidiennement et sont séparées enzymatiquement ou mécaniquement tous les quatre à sept jours. Pour que la différenciation se produise, la lignée de cellules souches embryonnaires humaines est retirée des cellules de soutien pour former des corps embryoïdes, est co-cultivée avec un sérum contenant les signaux nécessaires.
Dérivation à partir d'autres animaux Les cellules souches embryonnaires sont dérivées de la masse cellulaire interne ou de l'épiblaste de l'embryon, qui sont récoltées sur l'animal. Martin Evans et Matthew Kaufman ont rapporté une technique qui retarde l'implantation de l'embryon, permettant ainsi à la masse cellulaire interne d'augmenter. Ce processus comprend le retrait des ovaires de la mère et l'administration de progestérone, modifiant ainsi l'environnement hormonal, ce qui permet aux embryons de rester libres dans l'utérus. Après 4 à 6 jours de culture intra-utérine, les embryons sont récoltés et cultivés in vitro jusqu'à ce que la masse cellulaire interne forme des « structures en forme de cylindre d'œuf », qui sont dissociées en cellules uniques et étalées sur des fibroblastes traités avec de la Mitomycine C. (pour prévenir la mitose des fibroblastes). Les lignées cellulaires clonales sont créées en faisant croître une seule cellule. Evans et Kaufman ont montré que les cellules issues de ces cultures pouvaient former des tératomes et des corps embryoïdes, et se différencier in vitro, ce qui indique que les cellules sont pluripotentes.
Gail Martin a dérivé et cultivé ses cellules souches embryonnaires différemment. Elle a retiré les embryons de la mère environ 76 heures après la copulation et les a cultivés pendant la nuit dans un milieu contenant du sérum. Le lendemain, elle a retiré la masse cellulaire interne du blastocyste tardif par microchirurgie. La masse cellulaire interne extraite a été cultivée sur des fibroblastes traités à la mitomycine-c dans un milieu contenant du sérum et conditionnés par des cellules souches embryonnaires. Après environ une semaine, des colonies de cellules se sont développées. Ces cellules se sont développées en culture et ont démontré des caractéristiques pluripotentes, comme le démontre la capacité à former des tératomes, à se différencier in vitro et à former des corps embryoïdes.
On sait maintenant que les cellules nourricières fournissent le facteur inhibiteur de la leucémie (LIF) et que le sérum fournit des protéines morphogénétiques osseuses (BMP) nécessaires pour empêcher les cellules souches embryonnaires de se différencier. Ces facteurs sont extrêmement importants pour l’efficacité de la dérivation des cellules souches embryonnaires. En outre, il a été démontré que différentes souches de souris ont des efficacités différentes pour isoler les cellules souches embryonnaires. Les utilisations actuelles des cellules souches embryonnaires de souris incluent la génération de souris transgénique, y compris les souris knock-out. Pour le traitement humain, il existe un besoin de cellules pluripotentes spécifiques au patient. La génération de cellules souches embryonnaires humaines est plus difficile et se heurte à des problèmes éthiques. Ainsi, en plus de la recherche sur les cellules souches embryonnaires humaines, de nombreux groupes se concentrent sur la génération de cellules souches pluripotentes induites.
Pour d'autres espèces d'animaux d'élevage de la famille des ongulés (vache, cochon ...), les milieux de culture murins et humains ne sont pas aussi efficients que chez ces deux espèces pour la culture de cellule souche pluripotente embryonnaire. Cela peut s'expliquer par une implantation beaucoup plus tardive de l'embryon (5 jours pour la souris et 8 jours pour l'homme contre 16 jours chez le cochon et 20 jours pour les bovins).
Méthodes potentielles pour la dérivation de nouvelles lignées cellulaires Le , l'édition en ligne de la revue scientifique Nature a publié une lettre du Dr Robert Lanza déclarant que son équipe avait trouvé un moyen d'extraire des cellules souches embryonnaires sans détruire l'embryon.