MRM Insights : Quand allons-nous guérir le diabète – ou comment j’ai appris à ne plus m’en faire et à aimer la méthode scientifique

Chaque mois, dans MRM Insights, un membre du Réseau MRM écrit sur les cellules souches et la médecine régénérative d’un point de vue différent. Ce mois-ci, le Dr. Corinne Hoesli, Professeure agrégée au Département de Génie chimique, Chaire de recherche du Canada en génie des bioprocédés pour la thérapie cellulaire et membre du Comité exécutif du MRM, nous parle des potentiels traitements du diabète et de sa vision de la méthode scientifique.

Quand allons-nous guérir le diabète – ou comment j’ai appris à ne plus m’en faire et à aimer la méthode scientifique

 

L’insuline et les transplantations d’îlots : le Canada comme chef de file

L’an prochain, nous allons célébrer les 100 ans de la découverte de l’insuline au Canada par Banting, Best, Collip et MacLeod [1, 2]. L’insuline est aussi la première protéine humaine produite grâce à la technologie de l’ADN recombinant à être introduite sur le marché [3, 4] – ce qui aurait été impossible sans la découverte de la structure de l’ADN en 1953 [5]. Ces deux découvertes – celle de la structure de l’ADN et de l’insuline comme hormone qui contrôle les taux de glucose sanguin – ont marqué l’histoire des sciences de la santé et de la biotechnologie. Elles ont toutes deux mené à un changement de paradigme dans notre compréhension de la biologie humaine. Dans les deux cas, ces découvertes n’auraient pas eu lieu sans l’émergence de technologies permettant de mieux manipuler, purifier et étudier les biomolécules.

L’insuline est un médicament qui a révolutionné le traitement du diabète de type 1 – une maladie auto-immune qui mène au rejet auto-immun des cellules bêta qui sécrètent l’insuline. Les cellules bêta se trouvent dans des agrégats appelés « îlots de Langerhans » dans le pancréas. Les îlots contrôlent les taux de glucose sanguin en sécrétant des hormones endocrines qui signalent au foie, au muscle et aux autres organes qu’il est temps d’entreposer le sucre sanguin (par exemple à la suite d’un repas) plutôt que d’en produire. Par conséquent, les personnes atteintes de ce type de diabète dépendent de l’administration quotidienne de l’insuline sous forme d’injections ou d’infusion pour contrôler les taux de glucose sanguins. Malgré les nouvelles technologies de détecteurs de glucose et de pompes à insuline, la gestion du taux de glucose sanguin est une tâche ardue de tous les jours.

 

 

Au lieu d’avoir recours à l’insuline exogène, le diabète de type 1 peut être traité grâce à la transplantation d’îlots (Figure 1). Le « protocole d’Edmonton » [6] est une combinaison de méthodes de transplantation et de médicaments immunosuppresseurs ayant grandement amélioré le taux de succès de cette intervention. Le Canada est un chef de file dans ce domaine, avec plus de 600 transplantations d’îlots effectuées au cours des 20 dernières années. De nos jours, la plupart des personnes atteintes de diabète de type 1 ainsi qui reçoivent des greffes d’îlots vivent sans injections d’insuline pendant au moins 1 à 3 ans [7]. Il a aussi été démontré que la transplantation d’îlots réduit les risques associés à l’hypoglycémie : (sucre sanguin trop bas pouvant mener à la perte de conscience et même au décès) [8-10].

Comment rendre la thérapie cellulaire accessible à la plupart des personnes atteintes de diabète ?

Pour pallier le manque d’îlots provenant de dons d’organe, plusieurs groupes de recherche universitaire ou privée ont réussi à produire des cellules ressemblant à des cellules bêta in vitro à partir de cellules souches pluripotentes [11-13]. Les pseudo-îlots obtenus peuvent être fabriqués en nombre théoriquement illimité puisque les cellules pluripotentes peuvent se diviser indéfiniment et être différenciées en n’importe quelle cellule du corps adulte – incluant les cellules bêta.

Alors, avons-nous devant nous un remède au diabète de type 1 ? Malheureusement pas encore. D’abord, les pseudo-îlots transplantés risquent d’être à leur tour rejetés à cause de la réaction auto-immunitaire. Même si cet obstacle était résolu grâce à des manipulations génétiques pour contourner le rejet allogénique [14] et auto-immunitaire, des inquiétudes au niveau de la sécurité de ces cellules demeurent. Les cellules souches sont attrayantes à cause de leur capacité de division, mais c’est également leur talon d’Achille. Même si l’on introduisait des mécanismes de suicide cellulaire [15], je ne suis pas certaine que le bilan risques-avantages [16] penche en faveur de greffes dérivées de cellules souches par rapport aux pompes à insuline…

… À moins peut-être de transplanter les pseudo-îlots dérivés de cellules souches dans un dispositif d’encapsulation [17] (Figure 2). En encapsulant les pseudo-îlots, il est possible de protéger la greffe du système immunitaire, mais aussi de protéger les receveurs des cellules greffées. Certains dispositifs d’encapsulation sont conçus pour permettre de récupérer la greffe si un problème survenait. Thomas Chang à McGill est le pionnier de l’encapsulation pour produire des cellules ou organoïdes artificiels [18, 19]. Les dispositifs d’encapsulation peuvent être divisés en 2 grandes catégories : (1) les dispositifs de microencapsulation ou (2) les dispositifs de macroencapsulation. En général, les dispositifs de microencapsulation sont des microbilles de moins de 2 mm de diamètre. Pour la transplantation d’îlots, une dose de plusieurs centaines de milliers d’îlots est requise pour corriger les taux de glucose sanguin. Cela se traduit en des milliers de dispositifs de microencapsulation contenant 1 ou quelques îlots chacun, ou encore en un ou quelques dispositifs de macroencapsulation contenant chacun des milliers d’îlots.

 

Un lien entre le diamètre des dispositifs de microencapsulation et la fibrose ?

Dans le domaine de l’encapsulation, la fibrose – cette couche de cellule qui englobe les corps étrangers – peut mener à la défaillance de la greffe par « étouffement » puisque les cellules dans cette couche de fibrose consomment de l’oxygène qui ne parvient pas aux cellules encapsulées. Le laboratoire de Daniel Anderson a développé des formulations d’hydrogels d’alginate pour la microencapsulation qui diminuent grandement la fibrose [20, 21]. Ce même groupe a également noté que les microbilles d’un diamètre plus élevé causent moins de fibrose [22]. Cette observation est plutôt étonnante puisque plusieurs chercheurs qui travaillent dans ce domaine depuis des décennies n’ont jamais décelé ce phénomène. Plusieurs explications alternatives ont été émises lors de mes discussions avec des collègues. Est-ce que le fait d’augmenter le diamètre a simultanément diminué la surface totale des billes en contact avec les tissus des receveurs ? Est-ce que la buse et donc le procédé d’encapsulation utilisé pour les petites versus les grosses billes ont mené à une topographie de surface ou à d’autres propriétés physicochimiques non-quantifiées qui ont été confondues avec la variable « diamètre »? Mystère et boule de gomme… Malgré le manque de consensus lors des discussions de pause-café avec d’autres chercheurs lors de congrès, l’article en sur l’effet du diamètre des microbilles sur la fibrose a été cité plus de 350 fois à ce jour – incluant l’un des articles de revue de mon laboratoire [17].

 

– INTERLUDE –

 

La méthode scientifique

Si vous me suivez toujours, pensez-vous que la « controverse » de l’effet du rayon de courbure des dispositifs de microencapsulation sur la fibrose ? Comment se fait-il que tous ces chercheurs éminents ne soient pas d’accord alors qu’il s’agit de faits observables publiés dans une revue renommée après un examen par les pairs rigoureux ? Comment résoudre cette « mini-controverse » dans ce domaine quand même assez spécialisé et pointu ? Est-ce qu’il ne suffit pas d’appliquer la méthode scientifique que nous avons tous apprise à l’école dans nos cours de science ?
Au cégep, mes professeurs du programme de Sciences de la nature m’ont inculqué les notions de base de la méthode scientifique :
1. Élaborer une hypothèse basée sur les publications ou observations antérieures. Habituellement, dans nos cours du cégep, il s’agissait surtout de confirmer une théorie scientifique déjà établie (pour éviter les maux de tête lors de la correction, une considération qui n’est pas unique aux profs de cégep !). Toutefois, nous savions que les « grands chercheurs » choisissent plutôt des hypothèses pour répondre à de nouvelles questions sans réponses à ce jour.
2. Élaborer une méthode expérimentale permettant de rejeter l’hypothèse si elle est fausse ou d’apporter un appui de plus à l’hypothèse si elle est vraie.
3. Effectuer des expériences et noter les résultats. Analyser les résultats.
4. Arriver à des conclusions en comparant les résultats analysés à ceux escomptés si l’hypothèse de départ est conforme avec la réalité. Que l’hypothèse soit rejetée ou non, chaque conclusion suivant la méthode scientifique permet de faire avancer les connaissances.

À l’époque, tout cela me semblait bien clair. Les hypothèses étaient en quelque sorte prédéterminées par le protocole expérimental qui nous était fourni et la matière que nous avions étudiée dans le cours. Si nos observations contredisaient l’hypothèse, c’était généralement parce que nous n’avions pas très bien suivi le protocole ou fait une quelconque erreur dans nos mesures dont il fallait alors discuter.

Mes déboires avec la méthode de Kunitz pour mesurer l’activité de la ribonucléase

À l’Université, la situation s’est un peu corsée. J’ai effectué un stage de fin de baccalauréat en biochimie à Santé Canada où je devais caractériser l’activité enzymatique d’un dimère de RNase A obtenu par déshydratation [23]. Cette partie de mon stage devait normalement durer moins de 2 semaines, mais la méthode publiée n’était pas adéquate pour nos dimères. J’ai donc passé environ 4 mois devant un lecteur de plaques pour optimiser cet essai enzymatique. Après plusieurs mois de travail acharné, j’ai identifié les limites de linéarité avec reproductibilité et consistance acceptables de l’essai Kunitz [24] dans le cas très spécifique de la mesure de l’activité de dimères covalents de RNase A sur l’équipement disponible (pour les intéressés, ces limites étaient de 25 µg/mL ≤ [RNase A non traitée] ≤ 100 µg/mL et de 10 µg/mL ≤ [poly(A)*poly(U)] ≤ 150 µg/mL). J’ai présenté ces résultats dans une affiche intitulée « Propriétés catalytiques et structurales d’un dimère de RNase A à pontage covalent » (Figure 3). Évidemment, mon affiche faisait piètre figure à côté des travaux révolutionnaires des autres étudiants sur le traitement de maladies neurodégénératives…

Bref, au lieu de faire avancer la science, je suis restée bloquée sur l’étape no. 2 – élaborer une méthode qui permette de tester l’hypothèse. Quelle déception !

Le cours le plus marquant de mes études de premier cycle

L’un de mes cours préférés à l’Université d’Ottawa au cours de ma formation en biochimie et en génie chimique fut mon cours intitulé Philosophie des sciences. Pendant ce cours, la fameuse « méthode scientifique » présentée comme idéal immuable au cégep a été remise en question. Allons-y étape par étape :
1. Hypothèse : est-ce que les travaux de scientifiques avant nous sont parfaits ? Est-ce que nous pouvons nous y fier ? Est-ce que leurs résultats ont été bien interprétés ? Est-ce qu’ils ont vu un lièvre là où les données étaient plutôt un canard (Figure 4) ?
2. Méthodes : est-ce que les méthodes choisies permettent réellement d’évaluer l’hypothèse de façon rigoureuse ?
3. Résultats et analyse : est-ce que nous avons assez de résultats fiables pour effectuer une analyse convaincante ? Est-ce que nous devons effectuer d’autres hypothèses afférentes dans notre analyse ?
4. Conclusions : Est-ce que l’analyse effectuée permet de façon conclusive de confirmer ou de falsifier l’hypothèse de départ ? Qu’arrive-t-il si 100 expériences appuient l’hypothèse mais une expérience la dément ? Est-ce que les anomalies sont vraiment des anomalies ?

De plus, comment les théories scientifiques évoluent-elles au juste ? Est-ce que tous les scientifiques travaillent de concert en bons collègues pour comparer leurs résultats afin d’élaborer de théories générales par induction (faits observables → théorie) ? Quel est le nombre d’expériences ou de publications requises avant de rejeter une théorie ? Que faire lorsque les prédictions déduites (théorie → observations prédites) les mesures observables ne concordent pas ?

Comme je ne suis pas philosophe, je ne me sens pas apte à discuter adéquatement des discours de Bacon [26], Descartes [27, 28], Hume [29], Russell [30-32] Popper [33], Kuhn [34-36] et autres érudits au sujet des mécanismes menant aux progrès scientifiques. Je peux toutefois vous conseiller fortement de suivre un cours ou de lire un manuel sur ce sujet si vous prévoyez dédier votre carrière à la recherche. La « méthode scientifique » [37] repose sur les principes de l’induction pour élaborer des théories, de la déduction pour prédire le comportement de systèmes et de la falsification des théories pour faire évoluer les paradigmes scientifiques. Toutefois, il faut atteindre un certain consensus parmi les chercheurs avant d’assister à de réelles révolutions scientifiques qui mettent en question notre vision du lièvre pour voir un canard (ou vice versa). Bien sûr, la vision scientifique change mais prend aussi de l’expansion.

Le domaine de la recherche se situe à la limite du domaine du consensus scientifique et du domaine de l’inconnu (Figure 5). De plus, cette limite n’est pas clairement définie. Plus on s’approche du monde de l’inconnu, plus il y a de débats dans la communauté scientifique quant à l’interprétation de résultats publiés et quant à la meilleure direction à prendre en recherche. Il ne faut donc pas s’étonner que les chercheurs s’accordent tous sur le fait que la COVID-19 est causée par un virus, mais pas sur les effets chroniques potentiels du virus ni sur le type de vaccin ayant le plus fort potentiel d’être à la fois sécuritaire et efficace. Il ne faut pas non plus s’étonner que tous les chercheurs ne s’accordent pas sur des sujets encore plus pointus comme l’effet du rayon de courbure de microbilles d’encapsulation d’îlots sur la fibrose et le potentiel thérapeutique de ces dispositifs pour traiter le diabète…

 

– FIN DE L’INTERLUDE –

 

Quand allons-nous trouver un remède au diabète ?

Revenons à la « mini-controverse » notée ci-dessus. J’ai choisi cet exemple parce que j’ai récemment discuté avec mes collègues à Vancouver d’une série d’expériences conçues spécifiquement pour éclaircir la situation. Ces expériences pourraient prendre 1 an ou même deux si un étudiant à la maîtrise y travaille à temps plein, sans compter les cours à compléter. Est-ce que ce sera suffisant pour mettre un point final sur la question de l’effet du rayon de courbure de microbilles sur la fibrose ? Probablement pas avant que plusieurs autres groupes se penchent également sur la question. Ce débat semble bien sûr plutôt insignifiant par rapport à l’objectif final de développer un traitement à long terme pour le diabète de type 1.

D’après la vitesse des progrès actuels dans le domaine, je m’attends à ce que des essais cliniques entamés dans les 2 à 10 prochaines années ont un fort potentiel de démontrer à la fois la sécurité et l’efficacité du traitement. Même si ce n’est pas le cas, chaque débat clos nous permet d’agrandir le domaine du consensus scientifique et d’émettre des hypothèses plus audacieuses.

 

Références :
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3. Quianzon, C.C. and I. Cheikh, History of insulin. J Community Hosp Intern Med Perspect, 2012. 2(2). Web: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23882369.
4. Stern, S., Chapter 7. Incentives and Focus in University and Industrial Research: The Case of Synthetic Insulin, in Sources of Medical Technology: Universities and Industry, N. Rosenberg, A.C. Gelijns, and H. Dawkins, Editors. 1995: Washington (DC). Web: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK232052/.
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6. Shapiro, A.M., et al., Islet transplantation in seven patients with type 1 diabetes mellitus using a glucocorticoid-free immunosuppressive regimen. N Engl J Med, 2000. 343(4): p. 230-8. Web: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=10911004.
7. Barton, F.B., et al., Improvement in outcomes of clinical islet transplantation: 1999-2010. Diabetes Care, 2012. 35(7): p. 1436-45. Web: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22723582.
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