Les cellules chromaffines forment peut-être le système cellulaire le plus intéressant du corps humain. Elles sont étroitement liées aux neurones sympathiques et constituent l’un des dérivés de la crête neurale les plus étudiés. En tant qu’hybride évolutif du système endocrinien et du système nerveux, elles ont servi de modèle pour explorer les mécanismes fondamentaux de la neurophysiologie, de la sécrétion régulée et de la pharmacologie. Ainsi, les cellules chromaffines surrénaliennes peuvent être considérées comme le cerveau périphérique car elles partagent avec les neurones certains mécanismes fondamentaux : (1) reçoivent des entrées de nature électrique et chimique ; (2) sont capables de décoder et de reconnaître ces signaux ; (3) possèdent la machinerie nécessaire pour générer et élaborer des modèles de réponses tels que la libération de catécholamines et d’autres messagers. En conclusion, les cellules chromaffines, comme un neurone, peuvent être considérées comme une cellule sécrétrice qui libère sa sécrétion à une grande distance du corps cellulaire où les macromolécules sont synthétisées, ce qui permet une communication rapide entre des parties du corps largement séparées. En outre, la médullaire surrénale avec ses cellules chromaffines sert par la libération de catécholamines pour la communication avec tous les organes les plus importants tels que le cœur, l’appareil vasculaire, les poumons, les reins et aussi le cerveau.
Plus important encore, les cellules chromaffines situées au centre d’un organe périphérique facilement accessible ont servi pendant de nombreuses années comme une fenêtre sur les fonctions du cerveau. Les cellules chromaffines ont servi de modèle pour identifier le concept de base de la transmission neurochimique. Les premiers organites sécrétoires ont été isolés des cellules de chromaffine, et les vésicules de chromaffine ont servi de modèle de vésicule contenant des neurotransmetteurs. Un grand nombre des principales protéines associées aux vésicules et impliquées dans le processus d’exocytose ont été caractérisées dans les vésicules de chromaffine.1, 2, 3, 4, 5
Partageant la même origine ectodermique (crête neurale), les cellules de chromaffine font partie de ce que l’on appelle le triangle d’Erspamer (peau, intestin et cerveau), qui possède les mêmes neurotransmetteurs, neuropeptides, mécanismes de transduction.6 Une grande partie de la compréhension actuelle de la physiologie et de la physiopathologie des systèmes de neuropeptides et de neurotransmetteurs monoamines est due aux études utilisant des systèmes modèles de cellules chromaffines. La lignée cellulaire de phéochromocytome de rat (PC12) développée par Greene et Tischler7 il y a plus de 35 ans reste l’une des plus étudiées et continue à ce jour à fournir un modèle puissant pour la compréhension des systèmes neuronaux. Cette lignée cellulaire et d’autres systèmes modèles de chromaffine ont été particulièrement utiles pour l’étude des mécanismes exocytotiques, notamment le fonctionnement des canaux ioniques, la dynamique vésiculaire et le couplage stimulus-sécrétion. Les progrès méthodologiques associés en électrophysiologie, depuis le développement du patch clamp jusqu’aux techniques plus sophistiquées combinant des méthodes électrophysiologiques et électrochimiques (par exemple, l’ampérométrie de patch) ont été largement facilités par la disponibilité de tels systèmes modèles.
Dans la glande surrénale de chat perfusée in situ, il a été clairement démontré en utilisant différents stimuli récepteurs (acétylcholine, nicotine, diméthylphénylpipérazimium, etc.) que les cellules chromaffines possèdent deux granules neurosécrétoires distincts (les noradrénergiques et les adrénergiques), excluant ainsi l’idée que les cellules noradrénergiques étaient les cellules précurseurs dans lesquelles la phényléthanolamine-N-méthyltransférase fonctionne pour les transformer en cellules chromaffines adrénergiques. En outre, également au niveau du cerveau, la D-amphétamine augmente particulièrement la libération de noradrénaline.8, 9
En plus d’améliorer la compréhension des processus de développement neuronal, les systèmes de cellules chromaffines ont été extrêmement importants pour les études des processus neurodégénératifs, de la tumorigenèse et du développement de médicaments.
En outre, en raison de la relation étroite des cellules chromaffines avec les neurones catécholaminergiques, elles ont même été utilisées pour le traitement des troubles cérébraux neurodégénératifs tels que la maladie de Parkinson.10 Entre 1988 et 2001, >300 patients parkinsoniens ont été traités par des greffes de surrénales autologues avec une certaine amélioration des symptômes cliniques. Cependant, les taux de survie des cellules chromaffines adultes greffées n’étaient que de courte durée et les améliorations cliniques disparaissaient 1 à 2 ans après la transplantation.11, 12 Une limitation sérieuse de l’application de la médullosurrénale adulte était probablement la nature post-mitotique de la plupart des cellules transplantées.
En même temps, les endocrinologues ont exploré le rôle de plusieurs hormones centrales de libération et de neuropeptides dans les systèmes de cellules chromaffines.13 Il est intéressant de noter que la médullosurrénale en périphérie exprime un ensemble similaire de neuropeptides présents dans le cerveau et impliqués dans la régulation du stress, l’homéostasie énergétique, l’anxiété et la douleur.14, 15 Le concept de production hormonale ectopique a entre autres été décrit et affiné dans ces cellules. Cela inclut l’expression de l’hormone de libération de la corticotrophine, de l’adrénocorticotrophine, de la pro-opiomélanocortine et d’autres neuropeptides dans la médullosurrénale. L’intense diaphonie des cellules endocrines, les voies paracrines et neurocrines de la communication endocrine, ont été établies en particulier dans la glande surrénale.16 Ici encore, le microenvironnement complexe mais accessible de la surrénale imite le microenvironnement du cerveau en ce qui concerne la diaphonie des structures neuronales avec différents types de cellules endocrines.17 En outre, l’action des stéroïdes et des neurostéroïdes présents dans le cerveau a été largement étudiée dans les systèmes de cellules chromaffines.18, 19 L’interaction stricte entre la partie corticale et la partie médullaire de la glande surrénale a été démontrée depuis longtemps. En effet, l’inhibition de la biosynthèse des glucocorticoïdes surrénaliens par l’inhibiteur spécifique aminoglutéthimide a déterminé chez le chat et le rat une diminution significative des catécholamines au niveau médullaire sans changement entre les deux types de cellules chromaffines. Par conséquent, les glucocorticoïdes exercent un rôle permissif sur le système chromaffine par un double mécanisme, un direct au niveau des cellules chromaffines et un indirect via l’inhibition de la libération de CRH au niveau hypothalamique.20, 21
Alors que le système nitrique-oxyde périphérique se produit dans le cortex surrénal, les cellules chromaffines expriment le système nitrique-oxyde du cerveau. Ainsi, les mécanismes de base de la régulation de l’oxyde nitrique tant pour les neurones que pour les cellules endocrines ont été identifiés dans les cellules chromaffines.22 De même, l’hypophyse et la médullaire surrénale contiennent la plus grande quantité de vitamine C dans le corps humain, et les mécanismes de l’of rôle de l’absorption de la vitamine C et de la régulation des neurotransmetteurs ont été identifiés dans les cellules chromaffines23.
Le large rôle du facteur de croissance nerveuse (NGF) dans l’organisme vivant a été découvert pour la première fois dans la médullaire surrénale.24 En effet, Unsicker et al.25 à l’époque à l’Université Johns Hopkins ont constaté que les cellules chromaffines immatures obtenues à partir de la médullosurrénale cultivées en présence de NGF acquièrent les propriétés biochimiques et morphologiques des neurones sympathiques.
En outre, des expériences menées au laboratoire de biologie cellulaire du CNR (Conseil italien pour la recherche) à Rome par Aloe et Levi-Montalcini26 ont démontré in vivo que l’application de NGF chez le fœtus de rat et poursuivie pendant 3 semaines après la naissance induisait la différenciation des cellules chromaffines en neurones sympathiques au sein de la glande surrénale. Cela a clairement établi que le NGF avait un rôle beaucoup plus large dans les organismes vivants que ce qui avait été supposé jusqu’à présent.
La médullaire centrale a nettement augmenté de volume en raison de la différenciation des cellules surrénales en neurones sympathiques, qui germent un grand nombre de fibres largement ramifiées.
Vu le rôle exceptionnel que le système des cellules chromaffines a eu dans le passé, ce serait une erreur de ne pas utiliser ce système pour les questions actuelles de la recherche sur le cerveau.
Nous sommes entrés dans une nouvelle ère de la médecine régénérative également pour les maladies neurodégénératives du cerveau. Les cellules de Chromaffine pourraient à nouveau prendre la tête de l’exploration de certains des mécanismes de régénération qui se rapportent de manière similaire aux troubles plus complexes du système nerveux central (SNC). Des lignées de cellules chromaffines sont maintenant utilisées pour explorer le rôle du NGF dans la maladie d’Alzheimer. En effet, les protéines des granules chromaffines favorisent la survie des neurones27, ce qui peut être dû à un certain nombre de facteurs neurotrophines connus ou encore inconnus. Ainsi, la privation de NGF de cellules PC12 différenciées a provoqué une surproduction de peptides amyloïdes-β, qui sont les fragments protéiques les plus toxiques directement impliqués dans le développement de la maladie d’Alzheimer, concomitamment à la mort cellulaire par apoptose.28 Le lien étroit entre la privation de NGF et l’activation de la voie amyloïdogène a été étendu aux neurones de l’hippocampe.29 Ces études ont révélé une nouvelle propriété de TrkA, le récepteur de haute affinité du NGF. Lorsqu’il est privé de NGF, TrkA passe d’un système de signalisation cellulaire prosurvivant à un système proapoptotique. Il est raisonnable d’émettre l’hypothèse que cette propriété est également opérationnelle dans les neurones chromaffines portant le récepteur du NGF et qu’elle ouvre de nouvelles voies pour les mécanismes de signalisation cellulaire dans ces cellules.29
Le NGF favorise également la survie cellulaire pendant le stress du réticulum endoplasmique dans les cellules PC12.30 De plus, les cellules PC12 sont maintenant largement utilisées pour étudier l’effet et les voies de signalisation de nombreux autres peptides neurotrophiques et neuroprotecteurs dans la régénération du cerveau. Il s’agit notamment du polypeptide activateur de l’adénylate cyclase hypophysaire,31, 32 de la protéine morphogénétique osseuse 733 et du facteur neurotrophique dopaminergique cérébral,34 qui peut restaurer les neurones dopaminergiques dans les maladies dégénératives du cerveau comme la maladie de Parkinson. Des variations de séquence dans le gène du BDNF ont été associées à la dépression majeure et à la réussite du traitement antidépresseur,35 et le rôle du BDNF dans la médiation du rôle neuroprotecteur des antidépresseurs a été récemment exploré dans des lignées de cellules chromaffines.36
En outre, des preuves croissantes suggèrent l’existence de cellules progénitrices multipotentes dérivées de la crête neurale dans la médullosurrénale adulte.37 Leur identification et leur isolement récents38 suscitent de nouveaux espoirs quant à leur utilisation potentielle dans le traitement régénératif des maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson.39, 40, 41 Les cellules progénitrices chromaffines partagent des propriétés importantes avec les cellules souches neurales. Comme les neurosphères, lorsqu’on les empêche d’adhérer à la boîte de culture, les cellules progénitrices chromaffines se développent en sphères avec une capacité d’auto-renouvellement, que nous avons appelées chromosphères. Elles expriment les marqueurs des progéniteurs neuraux, à savoir nestin, vimentine, musashi 1 et le récepteur NGF, ainsi que Sox1 et Sox10,38 Mash137 et les protéines de la voie Notch (Vukicevic et collaborateurs, en cours de révision). En outre, elles sont capables de se différencier en neurones catécholaminergiques matures38 (Vukicevic et collaborateurs, en cours de révision). Comme pour la différenciation des cellules souches neurales, où Notch est un régulateur clé du maintien des cellules souches neurales dans le système nerveux en développement42, 43, le passage à la différenciation neuronale des cellules de la chromosphère s’accompagne d’une réduction des marqueurs des progéniteurs neuraux, notamment Notch-2, Hes (hairy and enhancer of split) 1, Hes 5 et nestin (Vukicevic et collaborateurs, en cours de révision).
Enfin, il ne faut pas oublier que les cellules entérochromaffines dérivent également de la crête neurale, et représentent le site dans lequel Vittorio Erspamer a découvert dans les années 1930 l’entéroamine,44 qui s’est ensuite avérée identique à la sérotonine (5-HT)45 présente dans le SNC46. Il existe un grand nombre d’articles dans la littérature qui montrent que d’autres neurotransmetteurs, neuropeptides et les mêmes mécanismes de transduction présents dans le cerveau existent aussi dans les cellules chromaffines gastro-intestinales où ils ont des rôles importants47.
Donc, les cellules chromaffines et les neurones cérébraux et leurs cellules précurseurs partagent des voies de signalisation similaires et constituent à nouveau un modèle idéal pour identifier les voies et les cibles innées de la régénération cérébrale.
Les efforts récents sondant le potentiel endogène de régénération et de réparation du SNC adulte se heurtent à de grandes difficultés, qui reposent sur la rigidité du système et l’accès limité aux produits pharmaceutiques. La barrière hémato-encéphalique limite le nombre de facteurs pouvant être testés de manière systémique et nécessite des alternatives invasives telles que des injections directes dans le cerveau. La rigidité provient de la plasticité subtile affichée, peut-être comme un moyen de préserver l’homéostasie et la mémoire. La glande surrénale, en revanche, est un organe remarquablement plastique qui réagit de façon marquée à de nombreux stress physiques et émotionnels. Pour le scientifique qui étudie les changements d’état, la glande surrénale est un outil exceptionnel. En son sein, le canari dans la mine de charbon est la cellule chromaffine et sa cellule précurseur. Les agressions physiques et émotionnelles modifient la fonction, les propriétés et le nombre de ces cellules d’une manière facile à évaluer et à manipuler. La pertinence pour les neurosciences est directe : les cellules précurseurs de la chromaffine partagent de nombreuses caractéristiques communes avec leurs véritables frères du SNC ; elles peuvent être cultivées de la même manière (figure 1), elles expriment de nombreux marqueurs communs, y compris des composants du cytosquelette et des facteurs de transcription et, surtout, elles répondent de la même manière à de nombreux traitements. En tant que système de recherche pour le neuroscientifique, la glande surrénale est un modèle du cerveau, en dehors de la barrière hémato-encéphalique, présentant des réactions augmentées. En son sein, les cellules précurseurs de chromaffine constituent une fenêtre accessible et mesurable sur le fonctionnement des cellules souches neurales du SNC. À une époque où les scientifiques s’efforcent de ne pas se cantonner à un seul organe, mais de rechercher des indices qui conduiront à de nouvelles approches thérapeutiques dans autant d’endroits que possible, le système des cellules chromaffines est un compagnon de recherche exceptionnel pour son homologue plus ésotérique du SNC.
Les cellules précurseurs de chromaffine adultes se comportent de manière similaire aux cellules souches neurales adultes. Il y a plus d’un siècle, Kohn a démontré les similitudes entre les cellules chromaffines et les neurones.53, 54, 55 Par conséquent, les cellules chromaffines isolées et la lignée cellulaire PC12, dérivée d’un phéochromocytome de la médullaire surrénale de rat, ont été établies comme modèles de différenciation neuronale. Les progrès récents de la biologie des cellules souches ont généré des méthodes de culture qui permettent la propagation de cellules précurseurs primaires à partir de tissus non cancéreux. Ces techniques ont permis d’étendre les similitudes entre les cellules chromaffines matures adultes et les neurones matures adultes à leurs cellules précurseurs d’origine : il est désormais de plus en plus évident que les précurseurs des cellules chromaffines se comportent de manière similaire aux cellules souches neurales du SNC. (a) Les cellules souches neurales du cerveau fœtal et adulte et les précurseurs de chromaffine de la médullaire surrénale bovine adulte peuvent être cultivés sans que les cellules soient fixées au substrat, ce qui donne lieu à des structures sphéroïdes (en 3 dimensions). (b) Comme leurs homologues du SNC, les cellules précurseurs de la médullosurrénale de bovins adultes peuvent également être cultivées en monocouche en l’absence de sérum, avec un support mitogène provenant du facteur de croissance basique des fibroblastes (bFGF). Le retrait du bFGF du milieu de culture induit la différenciation de ces cellules en 2 jours. (Encart : cultures monocouches de cellules souches neurales en présence de bFGF pour comparaison de morphologie).
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Dans le SNC, un rôle des cellules souches neurales endogènes (eNSCs) dans la génération de nouveaux neurones n’est reconnu que dans deux zones, la zone sous-ventriculaire et le gyrus denté de l’hippocampe. Pourtant, des populations de CSNE ont été découvertes dans tout le cerveau et la moelle épinière de rongeurs et de primates adultes. Une population étendue peut être identifiée en utilisant l’expression du facteur de transcription Hes3.48 Ces observations ont soulevé des rôles pour les eNSCs autres que le remplacement cellulaire. Hes3 est régulé par une branche non canonique de la voie Notch qui implique l’activation séquentielle du récepteur Notch, la phosphorylation de la molécule de signalisation signal transducer and activator of transcription 3 sur son résidu sérine et l’induction de la transcription de Hes3.49 D’autres facteurs qui régulent cette voie à différents moments, notamment l’insuline,50 les inhibiteurs des kinases p38MAP et Janus, le ligand du récepteur Tie2 angiopoïétine 2 et la toxine cholérique51, augmentent également le nombre de cellules souches. Individuellement, certains de ces facteurs ont des effets indésirables sur le système vasculaire (certains sont pro- et d’autres anti-angiogéniques).52 Lorsqu’ils sont combinés dans un mélange particulier contenant du Delta4, de l’angiopoïétine 2, de l’insuline et un inhibiteur de la Janus kinase, des augmentations maximales du nombre de CSNE sont obtenues avec des effets secondaires vasculaires minimes. Chez des rats soumis à une maladie de Parkinson expérimentale, une seule injection de ce mélange favorise le sauvetage à long terme des neurones dopaminergiques, qui autrement seraient morts, et la récupération de la motricité. Ces résultats suggèrent que les eNSCs ont un rôle dans la protection des neurones compromis. Bon nombre des composants de cette voie peuvent être partagés avec le système des cellules chromaffines et des travaux ont déjà montré une implication générale du récepteur Notch et de plusieurs facteurs de transcription communs (voir ci-dessus). En outre, l’environnement hautement vascularisé de la glande surrénale suggère que les cytokines angiogéniques peuvent également réguler les cellules précurseurs adrénomédullaires. Bien que l’implication des cellules précurseurs de chromaffine dans le renouvellement cellulaire dans la médullosurrénale soit établie, les données du SNC suggèrent que d’autres rôles régulateurs et peut-être pro-survivants des cellules chromaffines dans la médullosurrénale attendent d’être découverts.
En résumé, les leçons que nous avons tirées de la biologie des cellules chromaffines en tant que modèle périphérique pour le cerveau et les maladies du cerveau se rapportent plus que jamais à la recherche de pointe en neurobiologie. Nous devons poursuivre et intensifier l’utilisation de ce modèle pour élucider les mécanismes de régénération du SNC et des tissus neuroendocriniens. Cela permettra non seulement d’explorer les mécanismes fondamentaux du renouvellement et de la régénération des cellules, mais aussi de concevoir de nouvelles stratégies pour les thérapies régénératives du cerveau à l’avenir.