Réparer le cartilage : Bio-ingénierie du cartilage

Dossier réalisé en collaboration avec le groupe de Pierre Gillet, directeur de l’équipe "Bio-ingénierie tissulaire, vectorisation et imagerie articulaire" au sein de l’UMR 7561 CNRS-UHP (directeurs Jacques Magdalou, Patrick Netter)

Le cartilage est un tissu dont la fonction consiste essentiellement à transmettre et répartir les charges lorsque les articulations sont sollicitées.

Il joue en quelque sorte le rôle d’un roulement à billes et d’un amortisseur entre les extrémités osseuses, accompagnant chacun de nos efforts et mouvements. Ses cellules, appelées chondrocytes, sont séparées par une matrice extracellulaire, essentiellement composée de collagène et de protéoglycannes (des polysaccharides qui retiennent facilement l’eau). Le cartilage est composé de fibres collagéniques, disposées en forme d’arches ancrées verticalement dans l’os sous chondral, la partie supérieure, en surface, étant horizontale.

Un tissu dépourvu de nerfs et de vaisseaux

Le cartilage a pour propriété de n’être ni innervé ni vascularisé, contrairement à l’os : cette absence de nerfs et surtout de vaisseaux explique qu’il se répare difficilement spontanément à l’âge adulte. Autant l’os se consolide bien et permet des cicatrices solides, autant le cartilage se régénère peu et cicatrise difficilement.

Voilà pourquoi les sportifs, pourtant jeunes, sont parfois immobilisés longtemps quand ils souffrent de blessures impliquant le cartilage.

Notre capital cartilagineux, fragile, est pourtant soumis à des traumatismes ou diverses pathologies inflammatoires (arthrites) ou dégénératives (arthroses).

Pathologies du cartilage : un réel défi pour la médecine
On estime que 4,6 millions de personnes en France souffrent d’arthrose, un nombre en augmentation régulière en raison de l’allongement de la durée de vie et de certains facteurs de risque de plus en plus répandus dans la population (obésité). Le traitement actuel de l’arthrose est symptomatique : anti-inflammatoires et antalgiques soulagent temporairement le malade, mais n’ont aucune action sur la progression de la maladie. Les médicaments présentent par ailleurs des effets indésirables parfois sévères, limitant ainsi leur utilisation prolongée.
Outre l’arthrose, qui est une maladie dégénérative, véritable usure progressive, le cartilage est la cible de nombreuses autres pathologies, dont certaines sont inflammatoires (exemple : les polyarthrites rhumatoïdes) et d’autres tumorales (exemple : les chondromes). Il peut également être l’objet de lésions multiples en cas d’efforts trop répétés ou trop intensifs, dans la population sportive notamment, voire certaines professions exposées.

Protéger et reconstruire le cartilage

Plusieurs techniques chirurgicales, notamment des greffes de chondrocytes, sont capables de restaurer le cartilage. Elles se heurtent toutefois à de nombreuses limites : difficulté de mise en œuvre, réparation parfois médiocre du tissu lésé, variabilité de la réponse des patients. Aussi les chercheurs sont-ils en quête de solutions plus satisfaisantes.

Une première stratégie, en amont, relève de la bio-ingénierie moléculaire : elle consiste à s’opposer à la dégénérescence du cartilage en déterminant les mécanismes moléculaires précoces qui influent sa dégradation. Les cibles potentielles pour concevoir des médications anti-arthrosiques sont ainsi les protéines et médiateurs jouant un rôle actif dans le fonctionnement normal et processus arthrosique. Les cytokines de la famille des interleukines, qui sont des sortes de messagers entre les cellules, jouent par exemple un rôle important dans les maladies arthrosiques. Comprendre leur rôle exact dans le déclenchement et l’extension de la maladie permet de concevoir des médicaments ciblés. Mais ces molécules ne sont pas les seules impliquées, et c’est la raison pour laquelle seule une modélisation complète du fonctionnement normal du cartilage permet de déceler les signaux spécifiques de sa dégradation, puis d’envisager un arsenal thérapeutique adapté à chaque patient.

Une autre stratégie vise à reconstruire le cartilage lésé à l’aide de biomatériaux. Cette bio-ingénierie cellulaire et tissulaire nécessite la compréhension préalable des mécanismes de dégradation et de synthèse du cartilage afin de concevoir des biomatériaux qui miment avec efficacité le tissu vivant. Deux voies sont possibles : générer entièrement in vitro un tissu fonctionnel ou implanter un greffon immature qui poursuivra sa croissance au sein de l’environnement dans lequel il a été implanté. L’IRM apparaît comme un excellent outil de suivi de la réparation post-implantatoire.

L’ingénierie tissulaire : une matrice ensemencée de cellules

Le principe de l’ingénierie tissulaire du cartilage consiste à utiliser un biomatériau en tant que matrice, à l’ensemencer avec des cellules appropriées et à y ajouter des molécules biologiquement actives (facteurs de croissance) permettant aux cellules de se différencier et se multiplier vers le tissu à régénérer.

Si cette feuille de route paraît assez simple, sa mise en œuvre est particulièrement complexe et fait appel à de nombreux domaines scientifiques et technologiques transversaux.

Cela suppose notamment de choisir le biomatériau idéal, de maîtriser le cycle de vie des cellules (prolifération, différenciation et fonctionnalisation de chondrocytes), d’y adjoindre les molécules capables de favoriser leur croissance et d’intégrer les contraintes mécaniques auxquelles doit se plier le nouveau tissu.

La mécanique du vivant
Les tissus, et particulièrement le cartilage, s’adaptent à leur environnement et au mouvement. Ils subissent donc en permanence des contraintes mécaniques : compression, cisaillement, élongation (étirement). Pour être fonctionnel, un biomatériau doit être capable de répondre efficacement à ces contraintes mécaniques. Mais ce n’est pas tout : au cours de leur développement normal, dans un tissu vivant, les cellules modifient leur comportement biologique en fonction des signaux mécaniques qu’elles reçoivent (mécanotransduction). A chaque étape de la conception du biomatériau, il faut tester la manière dont la matrice 3D et ses composants cellulaires répondent aux contraintes mécaniques. Ces analyses sont très fines puisque l’on détermine les degrés d’expression quantitative et qualitative des gènes selon la fréquence et l’intensité des contraintes mécaniques que reçoit le tissu où ces cellules sont insérées.

Les applications cliniques et industrielles imposant des contraintes de coût et de sécurité sanitaire, les substances candidates à la formation de la matrice 3D du cartilage doivent ainsi être bon et marché et conserver leurs propriétés physiques lors des étapes de stérilisation. Biologistes, chimistes, cliniciens, informaticiens, spécialistes de la mécanique et de l’imagerie tridimensionnelle travaillent donc autour d’un cahier des charges fonctionnel très strict.

Vers le biomatériau idéal

Depuis une quinzaine d’années, les biomatériaux sont passés de l’état de matériaux monophasiques de comblement pour limiter l’extension de lésions à des matériaux complexes de support de la régénération tissulaire.

Les matrices 3D utilisées en ingénierie tissulaire sont conçues à partir de différents types de matériaux, souvent utilisés de manière composite : elles peuvent être à base de protéines (collagène, fibrine, gélatine…), de polymère polysaccharidiques (agarose, alginate, acide hyaluronique…) ou de polymères artificiels (dacron®, téflon®, phosphates de calcium, acide polyactique (PLA)…). Leur forme, variable, peut être celle d’une masse poreuse, d’une mousse, d’un liquide visqueux ou d’un hydrogel.

Le biomatériau idéal doit être biocompatible, il doit prévenir les réactions inflammatoires et immunologiques liées à son implantation, il doit présenter une structure tridimensionnelle favorable à l’adhésion, la prolifération et la différenciation cellulaire. Le biomatériau doit également présenter une certaine porosité pour permettre la migration des cellules et la diffusion des molécules et des nutriments. Il se doit de plus d’adhérer aux tissus, de posséder une certaine résistance et de conserver son intégrité après implantation pour éviter sa dégradation. Au plan clinique, il sera de préférence applicable par chirurgie mini-invasive donc idéalement injectable (1).

Près d’une vingtaine de matrices mixtes obtenues par association de plusieurs biomatériaux ou modification de leur structure sont actuellement en cours d’essais précliniques (sur l’animal) ou cliniques (sur l’homme). Chacune présente des propriétés singulières dans les domaines qui intéressent le chercheur et le clinicien : biocompatibilité (pas de réaction inflammatoire ou immunitaire), biodégradabilité, biosécurité (capacité à supporter la stérilisation sans perdre ses propriétés d’intérêt), porosité, adhésion aux tissus environnants et résistance aux contraintes mécaniques, etc.

En général, ces échafaudages sont très poreux, et, à eux seuls n’offrent pas de fonction mécanique suffisante, mais peuvent, en revanche, servir de matrices pour des cellules et pour différents facteurs. Parmi les différents types étudiés, on peut citer les éponges d’alginate, les éponges d’acide polylactique ou de collagène, les fibres d’acide polyglycolique, les nanofibres de polycaprolactone et les fibres de carbone. Les nanofibres sont prometteuses car elles permettent une chondrogenèse renforcée par rapport aux fibres plus larges de composition semblable.

Le candidat idéal pourrait présenter des caractéristiques communes aux différents types décrits précédemment, tels qu’un comportement viscoélastique, un mimétisme mécanique et une capacité accrue d’induction/maintien des phénotypes cellulaires. Dans des modèles récents, des matrices à base de collagène et de hyaluronane ont été utilisées en clinique pour régénérer le cartilage. Ces derniers restent un support fréquemment utilisé pour les chondrocytes et les cellules souches (2).

Un spray pour construire des implants sur mesure !

Chaque lésion du cartilage est spécifique : elle peut être superficielle ou au contraire profonde, lorsque les zones de l’os sous-chondral sont atteintes. Soigner un patient exige de prendre en compte la nature exacte de sa lésion et du comblement à opérer.

Le Pôle lorrain d’ingénierie du cartilage (CNRS, Université de Nancy) a développé une technique originale pour répondre à ce défi d’un façonnage sur-mesure : utiliser un spray aérographe, comme ceux que l’on emploie en peinture.

Le spray va permettre de déposer le biomatériau enrichi en cellule de façon successive, par un empilement de strates. Cette pulvérisation en couche va permettre de contrôler finement l’activité moléculaire et cellulaire de la future prothèse, et de "dessiner" en 3D un biomatériau parfaitement adapté à la lésion que présente le patient.

Des cellules souches pour ensemencer le biomatériau ?

Les chondrocytes, cellules du cartilage, peuvent sembler a priori les mieux adaptées pour coloniser le biomatériau utilisé en tant que matrice et développer ensuite leur potentiel de réparation du tissu lésé. Mais ces cellules présentent plusieurs inconvénients. D’une part, leur obtention par prélèvement dans le cartilage nasal, auriculaire ou articulaire est un acte invasif ne produisant qu’une quantité réduite de chondrocytes. D’autre part, la culture de ces chondrocytes in vitro induit une perte de leur spécificité cellulaire et tend à produire un fibroblaste peu différencié. Ces limites expliquent notamment pourquoi les greffes de cartilage autologues présentent des résultats mitigés.

Aussi les chercheurs se sont-ils orientés vers une autre source : les cellules souches mésenchymateuses (CSM). Comme toutes les cellules souches, les CSM ont des propriétés d’auto-renouvellement, de différenciation et la capacité à se différencier en plusieurs types cellulaires différents, et notamment les chondrocytes qui intéressent les chercheurs. Les CSM se trouvent dans diverses sources plus ou moins accessibles : moelle osseuse, tissu adipeux, sang de cordon, membrane synoviale, périoste et périchondre. Et elles peuvent produire en se différenciant divers types de tissus, dont le cartilage (mais aussi les os, une partie des muscles, des hépatocytes, etc.).

Lorsque la matrice est ensemencée de CSM, il s’agit alors d’orienter et surveiller la production de cellules cartilagineuses au sein d’un appareil nommé bioréacteur (3). Un grand nombre de paramètres doivent y être contrôlés : contraintes mécaniques (agitation, mécanostimulation), apport de facteurs de croissance et des nutriments, taux d’oxygène et de CO2…

L’optimisation de ces différents éléments est l’un des enjeux de la bio-ingénierie du futur pour produire en routine pour le clinicien du tissu cartilagineux à l’aide de cellules souches mésenchymateuses.

Notes
(1) Gabay et coll Joint Bone Spine. 2010 Jul;77(4):283-6
(2) Merceron et coll. Cellules souches mésenchymateuses du tissu adipeux et biomatériaux pour l’ingénierie tissulaire du cartilage. Revue du rhumatisme vol 75, 10-11 p. 942-944
(3) Bioréacteur : appareillage de laboratoire servant à multiplier des micro-organismes ou des cellules, voire à fabriquer des tissus complets. Le bioréacteur permet de contrôler par ordinateur un grand nombre de paramètres : température, pH, oxygénation, mouvement et stimulations mécaniques, etc.

Pour aller plus loin

Actualité de la recherche

• Une vaste gamme de nano-revêtements en quelques "pschitt" ! (communiqué de presse Inserm-CNRS du 23 novembre 2010)
• Réparation du cartilage articulaire par ingénierie tissulaire Revue de Chirurgie Orthopédique et Traumatologique, décembre 2008
• Designing a 3D alginate hydrogel by spraying method for cartilage tissue engineering
  Tritz, J et coll. Soft Material, 2011, in press
• Original approach for cartilage tissue engineering with mesenchymal stem cells
  Tritz-Schiavi J et coll. Biomed Mater Eng. 2010 Jan 1;20(3):167-74

Dans les médias

Arthrose de la hanche : la recherche avance. Le Figaro du 19/04/2010