Une équipe multidisciplinaire de chercheurs de l’Institute for Applied Life Sciences (IALS) de l’Université du Massachusetts à Amherst a développé une technique pour reproduire la complexité du tissu osseux et les processus de remodelage osseux.
Cette percée pourrait aider les chercheurs à approfondir leur étude de la biologie osseuse et à améliorer le développement de médicaments contre l’ostéoporose.
Publié dans Progrès scientifiques, les chercheurs ont développé un nouveau biomatériau qu’ils appellent le papier osseux déminéralisé. L’équipe comprend Jungwoo Lee, Yongkuk Park, Ryan Carpenter, génie chimique; Eugene Cheong, biochimie et microbiologie; Jun-Goo Kwak, programme d’études supérieures en biologie moléculaire et cellulaire; et Jae-Hyuck Shim de la UMass Medical School à Worcester.
L’équipe a développé un modèle organoïde d’os trabéculaire qui reproduit la complexité extracellulaire essentielle et les processus cellulaires des cavités osseuses trabéculaires. L’os trabéculaire, ou os spongieux, est un os léger et poreux renfermant de nombreux grands espaces qui donnent un aspect alvéolaire ou spongieux.
Les os trabéculaires sont les «amortisseurs» du corps, transférant les charges mécaniques de la surface articulaire à l’os cortical. Ces os ont une teneur en calcium inférieure et une teneur en moelle plus élevée que l’os cortical. La densité osseuse trabéculaire diminue avec le vieillissement.
L’os est un tissu multifonctionnel non seulement pour maintenir la stabilité mécanique, mais également pour réguler la formation du sang et la teneur en minéraux du sang. Cependant, étudier la biologie du remodelage osseux est difficile car ce processus se produit à l’intérieur de la cavité osseuse. Le tissu osseux dur et opaque est difficile d’accès, donc la création de modèles de tissu osseux réalistes à l’extérieur du corps fera progresser notre compréhension de la biologie osseuse fondamentale, ainsi que de nouvelles opportunités pour modéliser la progression de la maladie et dépister les réponses médicamenteuses.. «
Jungwoo Lee, Génie chimique, Université du Massachusetts Amherst
Le remodelage osseux est un processus permanent au cours duquel le tissu osseux mature est retiré du squelette et un nouveau tissu osseux se forme. Ces processus contrôlent également le remplacement de l’os après une blessure et les micro-dommages qui surviennent au cours d’une activité quotidienne normale. Le développement osseux se produit couche par couche lorsque les premières cellules formant l’os déposent du collagène structurel qui à son tour se minéralise pour devenir un os dur. Ce processus est répété pour remodeler et modéliser le tissu osseux tout au long de la vie.
Les scientifiques de l’UMass ont prélevé des os de bovins dans un abattoir local, puis les ont nettoyés et coupés en petits morceaux qu’ils ont déminéralisés dans un processus chimique.
Pour reproduire le processus de remodelage osseux, l’équipe a développé un nouveau biomatériau, papier osseux déminéralisé, qui imite la matrice structurelle dense avec de minces sections d’os compact bovin déminéralisé. Ce matériau a une épaisseur et une surface contrôlées. Il est également résistant mécaniquement et semi-transparent.
Le papier osseux déminéralisé soutient les processus des ostéoblastes et des ostéoclastes, qui sont des cellules qui résident et fonctionnent exclusivement sur la surface osseuse. Les ostéoclastes sont responsables de la résorption osseuse âgée et les ostéoblastes sont responsables de la formation de nouveaux os.
Le papier osseux sert de gabarit fonctionnel sur lequel les ostéoblastes déposent rapidement des minéraux structuraux, guidés par la structure lamellaire du collagène dense, et forment un os ostéoïde ayant une profondeur similaire à celle observée dans un organisme vivant.
La semi-transparence du matériau permet de surveiller les processus cellulaires en cours avec la microscopie à fluorescence, et il est mince mais suffisamment durable pour être manipulé facilement. Le papier osseux peut être produit en grandes quantités – l’équipe a pu produire plus de 5 000 pièces à partir d’un fémur bovin.
Yongkuk Park, le premier auteur, affirme que le modèle d’os trabéculaire pourrait être humanisé pour la recherche translationnelle en remplaçant les os de bovins. Des modèles d’os trabéculaires humanisés pourraient améliorer le pouvoir prédictif des études précliniques et raccourcir la période de dépistage des médicaments contre l’ostéoporose. Cela pourrait également aider les chercheurs à faciliter l’étude future de nombreux aspects de la biologie osseuse.
La source:
Université du Massachusetts Amherst
Référence du journal:
Park, Y., et al. (2021) Modèle organoïde osseux trabéculaire pour l’étude de la régulation du remodelage osseux localisé. Progrès scientifiques. doi.org/10.1126/sciadv.abd6495.
