Une équipe collaborative, qui comprend des scientifiques de l’Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale (TIBI), de l’Université de l’Illinois à Chicago (UIC) et de l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) a élucidé certains points clés sur la façon dont la génération de cartilage dans les articulations est facilitée et comment la formation osseuse alternative peut être évitée. Leurs découvertes pourraient ouvrir la voie à la conception de greffes conçues de manière plus stratégique pour un moyen moins coûteux et plus efficace de traiter les lésions du cartilage dans les articulations que les méthodes actuelles.
En raison de l’apport sanguin limité et du petit nombre de cellules cartilagineuses dans les articulations, il est difficile pour le corps de guérir son cartilage endommagé. Les traitements actuels comprennent la greffe du cartilage intact d’un patient d’une articulation à une articulation endommagée, l’augmentation du flux sanguin vers l’articulation endommagée en faisant de petits trous dans l’os sous le cartilage affecté), ou la transplantation des cellules cartilagineuses d’un patient d’une articulation à une autre. Chacune de ces méthodes est coûteuse et ne restaure pas adéquatement la fonctionnalité de l’articulation endommagée.
Une meilleure option pour la réparation du cartilage implique l’utilisation de cellules souches mésenchymateuses humaines (CSMh), des cellules facilement disponibles qui peuvent se renouveler et se différencier en divers types de cellules, y compris les cellules cartilagineuses. Avec ces cellules, les greffes peuvent être conçues pour une régénération plus efficace du cartilage.
Les articulations du corps et leur régulation de la régénération du cartilage sont extrêmement complexes, influencées non seulement par des signaux chimiques et des forces externes, mais aussi par des propriétés mécaniques au sein de l’articulation elle-même. Dans les articulations, les cellules cartilagineuses sont entourées de deux couches distinctes : la matrice péricellulaire (PCM) et la matrice extracellulaire (ECM). Le PCM est une couche étroite et plus douce qui entoure étroitement les cellules cartilagineuses. L’ECM est une couche plus rigide entourant le PCM qui ancre et fournit un support structurel aux cellules. On sait que les propriétés mécaniques des matrices environnantes peuvent influencer la formation de cartilage hMSC, avec des matrices plus molles et à dégradation plus rapide entraînant la formation de cartilage dans les articulations et des matrices plus rigides et à dégradation plus lente favorisant une croissance excessive du cartilage pouvant entraîner une formation osseuse indésirable.
Si l’on veut concevoir des implants pour remplacer le cartilage endommagé, ces propriétés micromécaniques doivent donc être recréées aussi étroitement que possible pour favoriser une régénération et une intégration appropriées du cartilage avec le cartilage natif sain. Il faut également tenir compte des effets des contraintes mécaniques externes sur les implants, qui peuvent influencer le comportement cellulaire.
Les chercheurs ont examiné ces propriétés et leurs effets en créant des équivalents de tissus cartilagineux innovants comme modèles de cartilage natif. Pour créer un modèle PCM, ils ont utilisé la technologie microfluidique pour créer des mini-gouttelettes d’hydrogel de taille uniforme incorporées avec des hMSC. Ces mini hydrogels ont ensuite été encapsulés par une couche de polymère rigide qui simulait l’ECM.
Pour simuler des mouvements corporels réguliers sur les articulations, les scientifiques ont utilisé une puce qui appliquait une pression sur des modèles PCM/ECM chargés de hMSC avec des inadéquations de propriétés micromécaniques conçues sur mesure et mesurait les biomolécules produites. À partir de ces expériences, les scientifiques ont pu trouver des conditions optimales pour une meilleure régénération du cartilage tout en réduisant la formation excessive de cartilage.
Ces résultats ont également été démontrés dans des modèles animaux. Les modèles tissulaires PCM/ECM ont ensuite été implantés chez des souris, et lorsque la pression externe a été appliquée, les effets de décalage micromécanique des tissus sur la formation de cartilage ont été maintenus avec succès pendant des périodes de trois semaines.
Les conclusions générales des scientifiques étaient que la rigidité et la dégradation du PCM et les propriétés d’inadéquation micromécanique du PCM-ECM fonctionnent en synergie avec la compression mécanique cyclique pour entraîner la formation souhaitable de cartilage dans les CSMh.
Avec les diverses difficultés présentées dans la réparation du cartilage, le travail de nos scientifiques pour comprendre les mécanismes qui le régissent est une étape indispensable pour créer avec succès un tissu cartilagineux fonctionnel et régénérateur. »
Ali Khademhosseini, Ph.D., TIBI Directeur et PDG
