Des chercheurs du groupe de recherche interdisciplinaire (IRG) Critical Analytics for Manufacturing Personalized-Medicine (CAMP) de l'Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART), l'entreprise de recherche du MIT à Singapour, aux côtés de collaborateurs du programme d'ingénierie tissulaire de l'Université nationale de Singapour ( NUSTEP), ont développé une nouvelle méthode pour améliorer la capacité des cellules stromales mésenchymateuses (CSM) à générer du tissu cartilagineux en ajoutant de l'acide ascorbique (AA) pendant l'expansion des CSM. La recherche a également découvert que la relaxométrie par résonance magnétique micro (µMRR), un nouvel outil d'analyse de processus (PAT) développé par SMART CAMP, peut être utilisée comme outil de surveillance de processus rapide et sans étiquette pour l'expansion de la qualité des MSC.
Le cartilage articulaire, un tissu conjonctif qui protège les extrémités osseuses des articulations, peut dégénérer en raison d'une blessure, de l'âge ou de l'arthrite, entraînant des douleurs articulaires et un handicap importants. Surtout dans les pays – comme Singapour – qui ont une population active et vieillissante, la dégénérescence du cartilage articulaire est une maladie croissante qui touche un nombre croissant de personnes. L'implantation de chondrocytes autologues est actuellement la seule thérapie cellulaire approuvée par la FDA pour les lésions du cartilage articulaire, mais elle est coûteuse, prend du temps et nécessite plusieurs traitements. Les CSM constituent une alternative intéressante et prometteuse car elles ont montré de bons profils de sécurité pour la transplantation. Cependant, l'utilisation clinique des MSC est limitée en raison de résultats de traitement incohérents résultant de facteurs tels que la variabilité d'un donneur à l'autre, la variation entre les cellules au cours de l'expansion cellulaire et les protocoles de fabrication non standardisés des MSC.
L'hétérogénéité des CSM peut entraîner des variations dans leur comportement biologique et les résultats de leur traitement. Bien que des expansions de MSC à grande échelle soient nécessaires pour obtenir un nombre thérapeutiquement pertinent de cellules à implanter, ce processus peut introduire une hétérogénéité cellulaire. Par conséquent, des processus améliorés sont essentiels pour réduire l’hétérogénéité cellulaire tout en augmentant le nombre de cellules donneuses avec un potentiel chondrogénique amélioré – la capacité des CSM à se différencier en cellules cartilagineuses pour réparer le tissu cartilagineux – afin d’ouvrir la voie à des thérapies basées sur les CSM plus efficaces et plus cohérentes.
Dans un article intitulé « Modulation métabolique pour améliorer l’expansion des MSC et le potentiel thérapeutique pour la réparation du cartilage articulaire », publié dans la revue scientifique Recherche et thérapie sur les cellules souchesles chercheurs de CAMP ont détaillé leur développement d'une stratégie d'amorçage pour améliorer l'expansion des MSC de qualité en modifiant la façon dont les cellules utilisent l'énergie. Les résultats de la recherche ont montré une corrélation positive entre le potentiel chondrogénique et la phosphorylation oxydative (OXPHOS), un processus qui exploite la réduction de l'oxygène pour créer de l'adénosine triphosphate, une source d'énergie qui entraîne et soutient de nombreux processus dans les cellules vivantes. Cela suggère que la manipulation du métabolisme des MSC est une stratégie prometteuse pour améliorer le potentiel chondrogénique.
À l’aide de nouveaux PAT développés par CAMP, les chercheurs ont exploré le potentiel de la modulation métabolique dans la récolte et le réensemencement des cellules à court et à long terme. Pour améliorer leur potentiel chondrogénique, ils ont varié la composition nutritionnelle, notamment le glucose, le pyruvate, la glutamine et l'acide ascorbique (AA). Comme on rapporte que l’AA soutient OXPHOS et son impact positif sur le potentiel chondrogénique lors de la différenciation – un processus dans lequel les cellules immatures deviennent des cellules matures dotées de fonctions spécifiques, les chercheurs ont étudié plus en détail ses effets lors de l’expansion des CSM.
L’ajout d’AA aux cultures cellulaires pour un passage pendant l’expansion des CSM et avant le début de la différenciation s’est avéré améliorer la différenciation chondrogénique, qui est un attribut de qualité critique (CQA) pour une meilleure réparation du cartilage articulaire. Un traitement AA à plus long terme a conduit à une multiplication par plus de 300 du rendement en CSM présentant un potentiel chondrogénique accru, une hétérogénéité cellulaire réduite et une sénescence cellulaire – un processus par lequel une cellule vieillit et cesse définitivement de se diviser mais ne meurt pas – par rapport à cellules non traitées. Les CSM traitées à l'AA avec un potentiel chondrogénique amélioré ont montré un changement important du profil métabolique vers OXPHOS. Ce changement métabolique était corrélé aux mesures de μMRR, ce qui permet d'identifier de nouveaux CQA qui pourraient être mis en œuvre dans la fabrication de MSC pour la réparation du cartilage articulaire.
La recherche démontre également le potentiel de l'outil d'analyse de processus (PAT) développé par CAMP, la relaxométrie par résonance micromagnétique (μMRR) – un appareil de paillasse miniature qui utilise l'imagerie par résonance magnétique (IRM) à l'échelle microscopique – comme outil de surveillance des processus pour l’expansion des MSC avec supplémentation en AA. Initialement utilisé comme méthode de diagnostic du paludisme sans étiquette en raison de la présence de particules paramagnétiques d'hémozoïne, le μMRR a été utilisé dans la recherche pour détecter la sénescence des CSM. Cette méthode rapide et sans étiquette ne nécessite qu'un petit nombre de cellules pour l'évaluation, ce qui permet la fabrication de thérapies MSC dans des systèmes fermés — un système de protection des produits pharmaceutiques en réduisant les risques de contamination provenant de l'environnement externe — tout en permettant la surveillance intermittente d'un lot limité. taille par production.
« La variation d’un donneur à l’autre, l’hétérogénéité intra-population et la sénescence cellulaire ont entravé le succès des CSM en tant que traitement standard pour la réparation du cartilage articulaire. Notre recherche a montré que la supplémentation en AA pendant l'expansion des MSC peut surmonter ces goulots d'étranglement et améliorer le potentiel chondrogénique des MSC », a déclaré Ching Ann Tee, associée postdoctorale principale au SMART CAMP et premier auteur de l'article.
En contrôlant les conditions métaboliques telles que la supplémentation en AA, couplées aux outils d'analyse des processus de CAMP tels que µMRR, le rendement et la qualité des produits de thérapie cellulaire pourraient être considérablement augmentés. Cette avancée majeure pourrait contribuer à faire de la thérapie MSC une option de traitement plus efficace et plus viable et fournir des normes pour améliorer le pipeline de fabrication.
Ching Ann Tee, associée postdoctorale principale, SMART CAMP
« Cette approche consistant à utiliser la modulation métabolique pour améliorer le potentiel chondrogénique des MSC pourrait être adaptée à des concepts similaires pour d'autres indications thérapeutiques telles que le potentiel ostéogénique pour la réparation osseuse ou d'autres types de cellules souches. La mise en œuvre de nos découvertes dans les paramètres de fabrication de CSM pourrait constituer une avancée significative pour les patients souffrant d'arthrose et d'autres maladies articulaires, car nous pouvons produire efficacement de grandes quantités de CSM de haute qualité avec une fonctionnalité cohérente et permettre le traitement d'un plus grand nombre de patients », a ajouté le professeur Laurie A. Boyer, chercheur principal au SMART CAMP, professeur de biologie et de génie biologique au MIT et auteur correspondant de l'article.
La recherche est menée par SMART et soutenue par la National Research Foundation (NRF) de Singapour dans le cadre de son programme Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE).
