La médecine régénérative

La médecine régénérative 

Suite à un accident, une pathologie ou un vieillissement, il est commun, pour le patient de lui implanter un tissu ou un organe entier prélevé chez un donneur pour remplacer celui endommagé. Ak ce jour, de nombreuses maladies chroniques peuvent seulement être guéries par greffe d’organes. Cependant, l’écart entre le nombre de donneurs et les receveurs en attente ne cesse de s’accroitre . Depuis 2005, le nombre de patients transplanté est relativement constant avec, en 2012, une diminution de 5% des donneurs par rapport à l’année 2011 ; la demande (patients sur liste d’attente), en revanche, s’accroit de façon quasi-linéaire avec un déficit actuel de presque 300%. Pour cela, la médecine réparatrice et régénérative pourrait participer à combler ce déficit en contribuant à réparer une lésion ou un organe malade par le remplacement des parties endommagées par un nouveau tissu cellulaire créé à partir de cellules souches ou de biomatériaux adaptés. Ces substituts biologiques peuvent également réparer les tissus lésés par la sécrétion des facteurs de réparation tissulaire. Cette alternative réaliste est illustrée par le développement de nombreuses approches thérapeutiques nouvelles utilisant l’ingénierie tissulaire, thérapie cellulaire, thérapie génique regroupés sous le nom de médecine régénérative.

La médecine régénérative comprend le domaine de l’ingénierie tissulaire qui est basée sur le développement d’un nouveau tissu ou organe qui sera implanté au niveau de tissu dégénéré dans le but de le restaurer et de ralentir ou stopper sa dégénération [16, 17].

Le principe de l’ingénierie tissulaire repose sur l’association de cellules à un support synthétique ou naturel afin de construire un assemblage tri-dimensionnel et fonctionnel pour ces cellules  permettant la construction d’un nouveau tissu sain. L’ingénierie tissulaire nécessite des connaissances dans les sciences des matériaux (physico-chimie des colloïdes, physique et chimie des solides et des polymères, …), et les sciences de la vie (biologie cellulaire et moléculaire, physiologie, chirurgie, imagerie, …).

Dans le cadre des maladies neurodégénératives qui correspond à la perte des neurones, et malgré les bénéfices de la thérapie cellulaire la régénération du SNC est limitée par des problèmes majeurs notamment la faible survie et intégration des cellules transplantées dans le tissu hôte [19]. Il est donc nécessaire de fournir un support tridimensionnel pour les cellules transplantées qui a pour but d’améliorer leurs comportements, et plus particulièrement leurs survies, prolifération et différenciation. Les biomatériaux sont les supports les plus utilisés dans l’ingénierie tissulaire et les plus répandus pour régénérer différents tissu [20]. Les « scaffolds » ou échafaudages sont choisis en fonction du tissu à régénérer afin de fournir un environnement presque naturel aux cellules transplantées, les scaffolds doivent être biodégradables et biocompatibles avec le tissu que l’on souhaite régénérer.

Avant de pouvoir parler de produit d’ingénierie tissulaire, il est nécessaire dans un premier temps de choisir les cellules et les biomatériaux convenables et qui vont jouer le rôle de support tri dimensionnel (3-D) .

Le choix du biomatériau

La Société Européenne des Biomatériaux (European Society for Biomaterials) a défini un biomatériau comme « un matériau conçu pour interagir avec les systèmes biologiques» [21]. Les matériaux les plus utilisés en ingénierie tissulaire sont composés de polymères naturels ou synthétiques. Ils doivent être biodégradables et biocompatibles avec le tissu hôte ce qui correspond à l’absence de réaction inflammatoire ou toxique au niveau du tissu avec lequel il va interagir.

Catégories des biomatériaux 

En ingénierie tissulaire différents types de supports bi ou tridimensionnels sont utilisés selon l’objectif de l’étude. Ces matériaux peuvent être à base de différents composants artificiels, synthétiques, composites ou naturels.

Les différentes catégories de biomatériaux sont :
– Les céramiques et verres
– Les métaux
– Les matériaux composites
– Les matériaux naturels
– Les polymères de synthèse .

Les céramiques et verres 

Les céramiques sont des composants caractérisés par un comportement à la fois fragile et dur, et pour la fabrication des céramiques une température de fusion plus élevée (au-delà de 1000 °C) est utilisée. Les matériaux céramiques ont l’avantage d’être biocompatibles, en particulier avec l’os, difficiles à déformer et résistants aux chocs. Les céramiques les plus utilisées dans le domaine de l’ingénierie tissulaire sont les oxydes d’aluminium, la zircone, le phosphate de calcium, le sulfate de calcium, le carbone et le verre. Les implants de la hanche et des implants dentaires sont notamment fabriqués à partir d’oxydes d’aluminium et zircone. Dans le domaine des biomatériaux, le phosphate de calcium et le sulfate de calcium sont utilisés principalement dans des substituts de greffe osseuse [22]. La difficulté de fabrication de céramiques constitue le principal inconvénient.

Les métaux 

Les métaux sont les biomatériaux les plus répandus en orthopédie. Les métaux utilisés comme biomatériaux ont des limites d’élasticité et des résistances à la rupture élevées, comprennent notamment les aciers inoxydables, le titane, les alliages cobalt-chrome, ainsi que l’argent ou le platine. L’acier inoxydable est le plus important de cette catégorie et encore le plus utilisé en chirurgie orthopédique, le titane est également très utilisé dans le même domaine [23]. Le principal inconvénient des métaux pour leur utilisation dans le domaine de l’ingénierie tissulaire, est leur susceptibilité à la corrosion ce qui a mené à la sélection d’alliage (Titane, Cobalt-Chrome).

Les matériaux Composites
Les matériaux composites consistent en assemblages d’au moins deux matériaux. L’association de matériaux présente un intérêt évident afin de renforcer les propriétés des matériaux et améliorer leur qualité pour certaines applications (par exemple : régénération du cartilage) [24]. Ces caractéristiques expliquent pourquoi l’utilisation de ces matériaux augmente depuis 40 ans dans différents domaines.

Bien que les matériaux composites présentent certains points faibles (par exemple la faible interaction entre les deux matériaux peut provoquer une réduction des performances mécaniques), ils gardent des performances réelles (légèreté, rigidité à un effort, etc.) biens meilleurs que les biomatériaux fabriqués à partir d’un seul composant. Le coût élevé impliqué dans la fabrication de composites est un inconvénient.

Les matériaux naturels
Les matériaux naturels sont plus utilisés dans le domaine de l’ingénierie tissulaire afin d’éviter les problèmes de biocompatibilité des implants. Ces matériaux fabriqués à base de biopolymères ont démontrés pour certains, une faible incidence de toxicité ou d’inflammation dans le tissu dégénéré [25, 26]. Ces matériaux, bien qu’ils soient souvent hétérogènes structurellement et chimiquement puisque principalement constitués de matériaux biologiques, évitent une synthèse organique impliquant des composés potentiellement toxiques comme c’est le cas avec les matériaux polymères synthétiques. Dans le cas des matériaux naturels formulés, les protéines et les polysaccharides sont les principaux biopolymères utilisés, qui peuvent présenter dans certains cas d’excellentes propriétés mécaniques. Ainsi, le collagène est le composant le plus prometteur parmi ces biopolymères pour développer des biomatériaux implantables. Cette protéine de la matrice extracellulaire est très abondante chez les mammifères et a été largement utilisé pour de nombreuses applications notamment en chirurgie esthétique, ou en ingénierie tissulaire comme échafaudage supramoléculaire [26]. Le chitosane, polysaccharide d’origine naturelle obtenu par N-désacétylation de la chitine est un autre biomatériau couramment utilisé [27]. En général les biopolymères sont utilisés en mélange afin de développer des matrices 3- D utilisables en ingénierie tissulaire. Ils peuvent combiner des protéines des polymère polysaccharidiques et parfois des polymères synthétiques.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Étude bibliographique et objectifs de recherche
1. La médecine régénérative
1.1 Le choix du biomatériau
1.1.1 Catégories des biomatériaux
1.1.1.1. Les céramiques et verres
1.1.1.2. Les métaux
1.1.1.3. Les matériaux Composites
1.1.1.4. Les matériaux naturels
1.1.1.5. Les polymères de synthèse
1.1.1.5.1. PLGA : Acide poly (lactique-co-glycolique)
1.1.1.5.2. PEG : polyéthylène glycol
1.1.1.5.3. Les Poloxamères
1.1.2. Techniques de formulation des « scaffolds »
1.1.2.1. Système microparticulaires
1.1.2.1.1. Processus d’émulsion et évaporation-extraction de solvant
1.1.2.1.2. Technique de coacervation simple
1.1.2.1.3. Technique par atomisation-séchage (spray drying)
1.1.3. Les domaines d’applications des biomatériaux
1.1.4. Propriétés de biomatériaux
1.2. Le choix de la composante cellulaire
1.2.1. Les cellules souches
1.2.2. Les différents types de cellules souches
1.2.3. Les cellules souches pluripotentes
1.2.4. Les cellules souches multipotentes
1.2.4.1. Les cellules souches neurales
1.2.4.2. Les cellules souches mésenchymateuses (CSM)
1.2.4.2.1. Identification et localisation des CSM
1.2.4.2.2. Phénotype des CSM
1.2.4.2.3. L’utilisation des CSM en médecine régénérative de tissu nerveux
1.2.4.2.4. Cellules MIAMI : sous population des CSM
1.3. Le choix du microenvironnement pour la régénération du SNC : les microcarriers pharmacologiquements actifs
2. Les différents paramètres qui influencent le comportement des cellules à la surface d’un matériau
2.1. Caractéristiques physico-chimiques du matériau
2.1.1. La topographie de surface
2.1.2. La rigidité de surface
2.1.3. Caractère hydrophile ou hydrophobe de surface
2.1.4. L’énergie libre de surface
2.1.5. La charge de surface
2.2. Adsorption des protéines sur un matériau
2.2.1. Les interactions biomatériau/protéines
2.2.2. Conformation des protéines
Objectifs du travail de thèse
Chapitre 2 : Propriétés physicochimiques des microsphères (MS)
1. La formulation des MS et des films modèles
1.1. Formulation des MS
1.2. Élaboration des surfaces modèles
2. Techniques de caractérisation des MS et des films modèles
2.1. Diffusion de la lumière
2.2. Potentiel zêta
2.3. Microscopie électronique à balayage (MEB)
2.4. Microscope à force atomique (AFM)
2.5. La Spectrométrie de Masse d’Ions Secondaires à Temps de Vol (ToF-SIMS)
2.6. La mesure de l’énergie de surface
3. Résultats
3.1. Distribution de taille des microsphères (MS)
3.2. Morphologie et la topographie des MS
3.3. Charge de surface des MS
3.4. Composition chimique des MS
3.5. Énergie de surface des MS-modèle 2D
3.6. Méthodes de préparation des surfaces modèles
3.7. Propriétés mécaniques des MS
4. Conclusion
Chapitre 3: The impact of polymeric microparticles on the behavior of stem cells in tissue engineering
Chapitre 4 : Discussion Générale
Conclusion
Références

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