CD Biomatériau Innovant d'Origine Humaine Fonctionnalisé pour la Régénération Osseuse

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1) Constat scientifique à l'origine du projet : pertinence, originalité, utilité : L'os est un tissu conjonctif hautement vascularisé qui dépend de l'interaction entre les vaisseaux sanguins et les cellules osseuses pour son développement1. Lors de la régénération osseuse, les processus d'ostéogenèse et d'angiogenèse sont étroitement liés, avec une communication entre les ostéoblastes et les cellules endothéliales jouant un rôle crucial dans le remodelage osseux2. Les artères fournissent non seulement de l'oxygène et des nutriments lors de la cicatrisation des fractures, mais également des cellules souches ostéogéniques et des ions essentiels à la minéralisation dans les phases ultérieures de la réparation des fractures3. Les défauts osseux causés par les tumeurs, les traumatismes et les pathologies liées au vieillissement sont fréquents en pratique clinique. Le tissu osseux peut se régénérer naturellement lorsque le défaut osseux est de petite taille, comme dans le cas d'une fracture en bois vert ou d'une fissure. Cependant, lorsque le défaut osseux dépasse la valeur critique de 50 % du diamètre cortical avec une longueur minimale de 1 cm, un substitut osseux est nécessaire pour aider au traitement. Les greffes osseuses autologues avec pédicules vasculaires constituent la référence en matière de traitement des grands défauts osseux causés par les tumeurs osseuses3. Néanmoins, les greffes osseuses autologues présentent des inconvénients significatifs, tels que la taille et la quantité limitées de blocs osseux disponibles et le traumatisme causé par le prélèvement osseux au niveau du site donneur4. Pour ces raisons, le développement de substituts osseux par ingénierie tissulaire osseuse (ITO) constitue une alternative idéale, basée sur l'association de cellules, d'une matrice ou “scaffold” et de biosignaux (notamment des facteurs de croissance) qui pourraient agir à la fois sur la différenciation ostéogénique et angiogénique5. La recherche du substitut osseux idéal nécessite l'utilisation de matériaux biocompatibles, non immunogènes et idéalement d'origine humaine. Le concept classique en ITO repose sur le développement d'un scaffold poreux composé d'un substitut osseux biodégradable et colonisé par des cellules souches autologues. Leur différenciation ostéogénique et leur maturation sont stimulées par des facteurs ostéoinducteurs. Cependant, les capacités d'ensemencement et de maturation de ces constructions in vitro est limité par le manque de vascularisation, ce qui entraîne une mort cellulaire rapide dans les régions internes du scaffold après implantation6. Ainsi, une approche prometteuse consisterait à développer et fonctionnaliser un biomatériau de remplacement osseux poreux avec des biosignaux, capables non seulement d'induire la différenciation ostéogénique et angiogénique des cellules souches ensemencées, mais aussi d'attirer et de stimuler les cellules du tissu hôte environnant après l'implantation, favorisant la croissance des cellules ostéogéniques ainsi que la formation d'un réseau vasculaire à l'intérieur de l'implant7. Les principaux défis de cette approche d'ingénierie tissulaire in situ sont d'identifier des facteurs de signalisation appropriés et de garantir leur intégration efficace dans un matériau de remplacement osseux adapté, ainsi que leur libération soutenue au cours du temps après implantation. L'objectif principal du projet doctoral BIOHFRO est de proposer un substitut osseux, prévascularisé et fonctionnalisé, dont les composants dérivent d'une source unique qui est le cordon ombilical humain. Ce biomatériau combinera un hydrogel à base de matrice extracellulaire issue de la gelée de Wharton (MEC-GW) fonctionnalisé avec de l'héparine et du lysat plaquettaire dérivé de sang placentaire (LP-SP) et qui sera ensemencé avec des cellules souches mésenchymateuses dérivées elles-aussi de la gelée de Wharton (CSM-GW). Ce projet s'articule autour de trois tâches principales : - Préparation et caractérisation physicochimique du substitut osseux prévascularisé - Cellularisation et caractérisation biologique in situ du substitut avant implantation - Evaluation de la performance du substitut osseux in vivo : modèle de calvaria chez le lapin Le premier élément à considérer en ITO est la composante cellulaire. Les cellules utilisées doivent être immunocompatibles avec une capacité d'auto-renouvellement et de différenciation. Dans cette optique, les cellules souches mésenchymateuses (CSM) présentent des attributs prometteurs et ont suscité un intérêt considérable dans divers domaines cliniques en fonction de leur origine8. Les CSM de la gelée de Wharton (GW) sont faciles à isoler, leur prélèvement est non invasif, elles sont plus abondantes dans le tissu, plus homogènes, et ont des caractéristiques intrinsèques plus favorables que les CSM issues de tissus adultes comme une plus grande capacité d'auto-renouvellement, de différenciation et d'immunomodulation9, une plus faible immunogénicité ce qui réduit le risque de rejet d'allogreffes à base de CSM-GW10. De nombreuses études ont démontré le potentiel de différenciation de ces cellules vers la lignée ostéogénique ainsi que leur rôle dans l'induction de l'ostéogénèse, ce qui laisse suggérer que ces cellules peuvent être une source potentielle de cellules pour l'induction ostéogénique, en tant qu'alternatives aux CSM de la moelle osseuse11,12. En ce qui concerne la différenciation angiogénique, la différenciation de ces dernières en cellules endothéliales, in vitro, est maîtrisée dans notre équipe13,14. Les biomatériaux ou « scaffolds » jouent un rôle important dans la promotion de la régénération osseuse vascularisée en ITO3,15. Les matériaux présentant d'excellentes caractéristiques biologiques, tels que le phosphate de calcium, les polymères naturels et synthétiques, ont été largement utilisés dans la construction de biomatériaux pour l'ITO16. En plus du matériau, la structure du scaffold influence la formation des vaisseaux sanguins et l'ostéogenèse. Les scaffolds poreux favorisent la migration cellulaire, le développement tissulaire, l'approvisionnement en nutriments et l'élimination des déchets3. Les biomatériaux naturels sont plus efficaces pour soutenir l'adhésion cellulaire, la prolifération et la différenciation cellulaires et la production de matrice extracellulaire (MEC) par rapport aux biomatériaux synthétiques12. La MEC est une substance naturelle qui peut être obtenue à partir de tissus ou de matrices décellularisées. Les hydrogels à base de tissus décellularisés ont récemment suscité l'intérêt en raison de leurs propriétés uniques, telles qu'une forte teneur en eau, une souplesse, une flexibilité et une biocompatibilité élevées17. Au cours des dernières années, l'équipe du Dr Moby et du Dr El Omar cherche à exploiter la matrice extracellulaire dérivée de la gelée de Wharton (MEC-GW) extraite de cordons ombilicaux humains en tant que biomatériau utilisable en ingénierie tissulaire18–20. Les principales propriétés de cette MEC physiologique sont une origine humaine, une disponibilité en grande quantité sans aucune contrainte éthique, une structure tridimensionnelle et des propriétés bioactives (adhésion cellulaire, angiogenèse ou immunomodulation). Ces propriétés bioactives sont dues à sa composition complexe (collagène, élastine, acide hyaluronique, protéoglycanes) incluant un mélange de facteurs de croissance (EGF, PDGF, IGF-I)19,21,22. Des études très récentes ont montré qu'un hydrogel formé à base de MEC-GW décellularisée est un biomatériau 3D perméable, non seulement cytocompatible, mais qui fournit la niche idéale pour la différenciation chondrogénique10 et ostéogénique des CSM11,12 in vitro, favorisant également l'angiogénèse23. Ces résultats laissent suggérer qu'il pourrait alors servir d'alternative appropriée pour la régénération des défauts ostéochondraux in vivo. Notre matrice sera alors développée en un hydrogel de MEC-GW qui sera fonctionnalisée par l'ajout de : (1) Lysat plaquettaire issu du sang placentaire (LP-SP). Un des principaux défis en ITO consiste à identifier des facteurs de signalisation adaptés et à garantir leur intégration efficace dans un matériau de remplacement osseux approprié ainsi que leur libération soutenue. Étant donné que la régénération osseuse implique de multiples processus biologiques, les facteurs uniques sont moins efficaces que les combinaisons de différents facteurs exploitant des effets synergiques7. Cependant, même en combinaison, l'application de facteurs de croissance recombinants nécessite des concentrations élevées non physiologiques qui sont coûteuses et peuvent entraîner des effets secondaires indésirables24. Par conséquent, diverses sources naturelles de biosignaux ont été étudiées. Parmi ces sources, on cite le lysat plaquettaire (LP) qui est un dérivé plaquettaire faisant référence au contenu du cytoplasme des plaquettes qui se trouve libéré après désagrégation de la membrane plasmique. Le LP est riche en facteurs de croissance dont le VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor), PDGF (Platelet-Derived Growth Factor), d'EGF (Epidermal Growth Factor) et de TGF-B (Transfroming Growth Factor-beta)25. Le rôle de ces molécules, notamment impliquées dans l'angiogénèse, la migration, la prolifération cellulaires et la formation de tissus, est un argument favorisant l'utilisation des LP en ITO. (2) Héparine qui peut être intégrée efficacement dans l'hydrogel pendant sa synthèse (« in situ »). Ce glycosaminoglycane, hautement sulfaté et hautement anionique, est connu pour se lier spécifiquement à divers facteurs de croissance, les stabilisant à l'intérieur d'un biomatériau et retardant leur libération, ce qui améliore la capacité de l'hydrogel à lier des protéines7. En effet, une étude très récente a montré que l'ajout de l'héparine dans le biomatériau pourrait retarder la libération des facteurs de croissance qui y sont intégrées jusqu'à 14 jours7. Notre équipe a déjà effectué deux études portant sur l'ajout d'héparine à un film de MEC-GW (thèse A. Fayon, Direction P. Menu et R El Omar) ou à un hydrogel de collagène de type I (Thèse M. Wu, Direction A. Sapin-Minet et C Gaucher). Ces deux études ont montré l'innocuité de l'héparine jusqu'à 6 UI/mL vis-à-vis de différents types cellulaires (CSM, cellules endothéliales. L'avantage de l'héparine réside aussi dans sa capacité à moduler la viscosité et la densité du maillage de l'hydrogel formé avec le collagène (constituant majoritaire de la MEC-GW) ; Ainsi ces paramètres pourront être adaptés en fonction des besoins afin de garantir au substitut, des propriétés mécaniques proches de celles du tissu osseux natif et de moduler/contrôler la libération de molécules chimioattractives actives à partir de l'hydrogel. Originalité et pertinence : À notre connaissance dans la littérature, il n'existe pas jusqu'à présent, de substituts osseux prévascularisés fonctionnels et efficaces pour le comblement de défauts osseux de taille critique. Actuellement, le manque de vascularisation fonctionnelle au sein du substitut osseux issu de l'ITO est le plus grand obstacle à son application clinique L'originalité de notre projet repose sur la proposition d'un substitut osseux prévascularisé et fonctionnalisé pour induire non seulement la différenciation ostéogénique et angiogénique des CSM, mais aussi d'induire le recrutement des cellules de l'hôte in vivo. Ce substitut est complètement d'origine humaine périnatale, ses composants dérivant uniquement du cordon ombilical. Il associe une MEC tridimensionnelle d'origine naturelle, des cellules souches mésenchymateuses et du lysat plaquettaire dont l'intérêt ne cesse de croître en médecine régénérative. Le cordon ombilical, fournissant tous les matériaux bruts de notre substitut osseux, est une source presque inépuisable, disponible en grandes quantités (758 000 nouveau-nés en France, 2018), ce qui rend le procédé de fabrication de simple, peu onéreux, efficace et facilement transposable à la clinique. La finalité de notre projet est la création d'un substitut osseux prévascularisé original. Cette construction innovante représentera une avancée majeure dans le domaine de l'ingénierie tissulaire osseuse, notamment en permettant une différenciation angiogénique et ostéogénique simultanée des cellules humaines grâce à l'utilisation de molécules bioactives naturelles. Ce substitut innovant pourrait permettre de pallier certaines limites en médecine régénérative osseuse.

spécialité

Sciences de la Vie et de la Santé - BioSE

laboratoire

CITHEFOR - Cibles thérapeutiques, formulation et expertise pré-clinique du médicament