Projet ANR-11-BSV5-0022 – HYCAR : Hydrogels nano-renforcés pour l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative du cartilage
Programme : Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Pierre WEISS (UNIVERSITE DE NANTES)
Partenaires : Laboratoire d'Ingénierie Osteo-Articulaire et Dentaire; Polymères, Colloïdes, Interfaces
Montant : 349999.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Médecine régénérative du cartilage : nouveaux biomatériaux nano-renforcés.Les hydrogels actuels, supports pour des cellules souches ou issue du cartilage afin de régénérer du tissus cartilagineux, sont trop fragiles car trop hydratés ou ne permettent pas la vie des cellules, car trop denses. L’utilisation de nano-renforts doit nous permettre d’améliorer les propriétés mécaniques de ces échafaudages à cellules, sans modifier leur biologie.
Obtenir des hydrogels injectables, résistants après réticulation, biocompatibles en 3DNous avons, depuis 2006, travaillé sur la mise au point de stratégies innovantes de régénération de cartilage articulaire pour diminuer les risques d’arthrose après une lésion focale articulaire. Pour réaliser cet objectif des travaux sur l’utilisation de cellules chondrocytaires issues du septum nasal ont permis de faire la preuve du concept en les associant au sein d’un hydrogel injectable, autoréticulant, constitué à 98 % d’eau. Les cellules du cartilage sont en suspension dans cette matrice tridimensionnelle et peuvent exprimer tout leur potentiel pour réaliser un véritable nouveau cartilage hyalin. Cette preuve de concept réalisée chez le lapin a été transférée chez le cheval pour faire des études cliniques équines avant de proposer ces thérapeutiques chez l’homme. Les premiers résultats chez le cheval suite à des interventions sous arthroscopie gazeuse ont montré des résultats très encourageants. L’hydrogel ne supporte pas les contraintes mécaniques de l’articulation sur toute sa surface. Ses propriétés mécaniques sont en effet 10 à 100 fois inférieures à celles du cartilage sein. L’objectif de ce travail est de trouver un moyen de renforcer nos hydrogels sans augmenter de façon uniforme la densité du réseau et sans diminuer leur biocompatibilité et leur bioactivité. Notre hypothèse est que l’utilisation d’un deuxième réseau interconnecté dans le premier par l’utilisation de nanoparticules doit permettre se renforcement sans diminuer les propriétés de diffusion des gaz et des nutriments. Si nous sommes capable de réaliser ces objectifs cela nous permettra également de développer toute une gamme de matrices avec différents niveaux de viscoélasticité en 3 dimensions, adaptés à des phénotypes particuliers et donc des tissus différents.
Associations hydrogels, nanoparticules et cellules.Des formulations aqueuses d’hydrogels covalents (chimiques) et ioniques (physiques) compatibles sont réalisées et caractérisées d’un point de vue rhéologique, mécanique et pour leurs propriétés de diffusion. Quelques formulations choisies serviront de substrats pour la culture de lignées cellulaires puis de cellules souches mésenchymateuses pour suivre leur biocompatibilité et leur potentiel à permettre la différentiation de ces cellules vers le cartilage.
Résumé de la soumission : La médecine régénérative du squelette s’oriente aujourd’hui vers le développement de techniques chirurgicales de moins en moins invasives dans le but de réduire la morbidité et la durée d’hospitalisation. Cette recherche d’une chirurgie mini-invasive a motivé le développement de biomatériaux injectables pour l’ingénierie tissulaire du squelette. Ces matrices injectables doivent également pouvoir prendre en masse une fois implantées, acquérir la forme désirée et présenter des propriétés mécaniques en relation avec le tissu à réparer. Des polymères ayant un fort pouvoir viscosifiant dans l’eau peuvent servir à réaliser des hydrogels par réticulation physique, ionique ou covalente. Dans ce cas, ils forment de véritables réseaux macromoléculaires en 3D comparables à la matrice extracellulaire (MEC) des tissus de notre organisme. Notre domaine actuel de recherche est la régénération du cartilage articulaire, tissu dont les propriétés de réparation intrinsèques sont extrêmement faibles. Notre objectif est de développer des hydrogels à base de biopolymères, supports pour l’ingénierie tissulaire en association avec des cellules chondrogéniques autologues pour la régénération du cartilage. Actuellement les hydrogels qui permettent d’intégrer en leur sein des cellules vivantes comme l’HPMC-SI que nous avons développé, présentent des propriétés mécaniques faibles et 10 à 20 fois inférieures à celles du cartilage. Nous savons depuis les travaux de Discher que les cellules souches mésenchymateuses sont capables de "sentir" la rigidité de la matrice avec laquelle elles sont en contact et que cela participe à leur engagement dans une voie de différenciation cellulaire précise. De plus les hydrogels à notre disposition répondent bien aux indications de défaut du cartilage de petite taille mais sont trop fragiles pour des défauts du cartilage étendus. Il semble donc aujourd'hui nécessaire d'améliorer la rigidité et les propriétés mécaniques des hydrogels tout en les maintenant compatibles avec la viabilité cellulaire en leur sein, notamment de cellules souches mésenchymateuses (CSM) dont les propriétés de régénération tissulaire sont aujourd'hui bien décrites.  Notre approche repose sur le renforcement d’hydrogels avec des nano particule en silicate puis sur la modélisation des comportements micromécaniques et de la diffusion de molécules dans ces constructions hybrides hydrogel/CSM. Pour répondre à cet objectif nous divisons notre travail en 5 taches dont 4 opérationnelles pour la fabrication des hydrogels nano-renforcés, leur caractérisation physico chimique, leur biocompatibilité in vitro et enfin leur bio fonctionnalité préclinique in vivo. Ce travail à l’interface de la chimie des matériaux et de la biologie se fera en partenariat entre un laboratoire CNRS Université du Maine (PCI UMR 6120), spécialiste de la matière molle et des hydrogels et un laboratoire INSERM Université de Nantes (LIOAD UMRS 791), spécialisé dans la régénération du cartilage par Ingénierie tissulaire. Ces constructions complexes hybrides permettront de comprendre le rôle de différents paramètres de la matrice extracellulaire synthétique sur le comportement de certaines cellules en modélisant l’environnement tridimensionnel de ces cellules. Le rôle de chacun de ces paramètres sur la multiplication, la mobilité et la différenciation cellulaire nous permettra d’élaborer des stratégies pour la conception de matrices extracellulaires adaptées pour les indications spécifiques d’ingénierie tissulaire du cartilage. Enfin nous vérifierons sur des modèles animaux à ONIRIS, l’école nationale vétérinaire de Nantes, la pertinence de nos choix dans l’articulation de genoux de lapin puis de chevaux dont les pathologies articulaires, proches de l’homme pourront bénéficier de cette stratégie de médecine régénérative.
Résultats : Les premiers résultats de nos travaux montrent que l’on peut mélanger ces deux systèmes d’hydrogels, qu’ils sont compatibles et que dans certaines conditions ils réalisent un double réseau interconnecté améliorant fortement les propriétés mécaniques de l’ensemble.
Les premiers résultats de biocompatibilité montrent une bonne viabilité des cellules en  3 dimensions jusqu’à un seuil au delà duquel cette viabilité diminue fortement. Nous ne savons actuellement pas si ce résultat est lié aux nanoparticules en tant que tel ou si c’est la baisse des nutriments et de l’oxygène qui est responsable de cette tendance.
Perspectives : Les perspectives sont majeur dans le domaine de l’ingénierie tissulaire car on pourrait contrôler de nombreux paramètres des échafaudages pour des cellules souches afin de les orienter vers un type cellulaire particulier pour de la médecine régénératrice tissulaire.
Publications et brevets : Communications orales : WBC 2012
Communication par affiche : TERMIS 2012
Pas de publications ni de brevets.