2.5 Encapsulation cellulaire
L’encapsulation cellulaire ou la capacité des biomatériaux à retenir les cellules pour la transplantation est essentielle à la survie des cellules transplantées et à leurs effets thérapeutiques. En plus de la fixation cellulaire à la surface du biomatériau, la suspension cellulaire dans des hydrogels 3D est également une stratégie viable. Les biomatériaux couramment transformés en hydrogels comprennent le collagène, la fibrine, l’acide hyaluronique (HA), le chitosane, l’alginate et le poly (éthylène glycol) (PEG) (Ford et al., 2006; Hatami et coll., 2009; McCreedy et coll., 2014; Mosahebi et coll., 2003; Thompson et coll., 2018; Zahir et coll., 2008). Ces dernières années, les hydrogels ont attiré beaucoup d’attention en tant que matrice interne pour le conduit de guidage nerveux. Les hydrogels peuvent également être utilisés comme échafaudages autonomes, en particulier pour les SCI car leurs propriétés mécaniques correspondent étroitement à l’ECM de la moelle épinière native (Macaya et Spector, 2012; Madigan et al., 2009). En comparant différentes macro-architectures utilisées pour la SCI, il a été montré que les conceptions à voie ouverte fonctionnaient mieux que les conceptions fermées, telles que les cylindres, les tubes et les multicanaux, ce qui affectait négativement le tissu environnant, doublant la longueur du défaut (Wong et al., 2008). Considérant que la moelle épinière a les deux connexions longitudinales (c.-à-d. tractus spinocérébelleux, tractus corticospinal, etc.), ainsi que des connexions latérales entre différents types d’interneurones et de motoneurones, l’extension des neurites vers toutes les directions est préférable (Friedman et al., 2002; Kiehn et Butt, 2003). Les propriétés inhérentes des hydrogels, telles que le fait d’être macroporeux et mous, permettent des échanges de molécules, une adhésion cellulaire et une migration qui pourraient potentiellement être bénéfiques pour la régénération neuronale (Macaya et Spector, 2012; Madigan et al., 2009; Novikova et coll., 2006; Xie et coll., 2009; Yuan et coll., 2004). Un autre avantage majeur des hydrogels est leur injectabilité. Les matériaux injectables peuvent facilement se conformer à la forme de la cavité de la lésion dans le SCI. Cela évite la nécessité de prendre en charge des échafaudages à géométrie définie, ce qui peut impliquer l’élimination des tissus sains autour du site de la lésion. Le matériau injectable doit se solidifier dans des conditions physiologiques, généralement en quelques minutes, pour maintenir l’encapsulation des cellules transplantées.
Plusieurs paramètres de conception doivent être pris en compte pour les hydrogels utilisés comme plateformes de distribution de cellules (Macaya et Spector, 2012; Shoichet et al., 2007). Comme indiqué précédemment, la porosité, la résistance mécanique et le taux de dégradation sont des paramètres de conception importants pour les biomatériaux. Le moment de la gélification est également critique pour la transplantation cellulaire. Généralement, un processus de gélification ou de réticulation relativement rapide dans des conditions douces est préféré pour maintenir la localisation des cellules encapsulées et / ou des agents thérapeutiques et pour éviter des dommages supplémentaires au site de la lésion. Étant donné que la majorité des hydrogels se réticulent par des déclencheurs chimiques ou physiques, les cellules transplantées doivent pouvoir survivre dans ces conditions. Le réticulant chimique peut être cytotoxique, tandis que les déclencheurs physiques peuvent impliquer le déplacement des cellules vers des conditions non physiologiques (température, pH) qui ne sont pas favorables à leur survie. Les initiateurs chimiques et les agents de réticulation nécessaires à la formation d’hydrogels ne devraient pas avoir d’impact négatif sur les populations cellulaires transplantées. En particulier pour les hydrogels injectables, les réticulants chimiques ne peuvent généralement pas être lavés in vivo ou trempés avant l’implantation. Les méthodes de réticulation chimique courantes comprennent la polymérisation photo-initiée, la réticulation enzymatique et moléculaire. Les polymérisations photo-initiées impliquent souvent l’utilisation de lumière ultraviolette (UV) avec une molécule photo-initiatrice. Bien que cette méthode permette une gélification rapide, la lumière UV et le photo-initiateur peuvent induire une apoptose (Hynes et al., 2007). Pour les hydrogels réticulés enzymatiques, les effets des enzymes sur les types de cellules transplantées doivent être pris en compte et étudiés (Yang et al., 2016). Les réticulants moléculaires présentent l’avantage d’affiner le module de cisaillement et le taux de dégradation (Sundararaghavan et al., 2008); cependant, ils peuvent également être cytotoxiques en fonction de la concentration et des types de cellules encapsulées (Barker et al., 1980; Liang et coll., 2003). Les stratégies de réticulation physique courantes comprennent la température, la réticulation ionique et les systèmes d’auto-assemblage. L’avantage des déclencheurs physiques est qu’ils peuvent souvent se produire dans des solutions aqueuses. Les paramètres importants à prendre en compte sont les changements drastiques de température et de pH qui peuvent induire la mort cellulaire (Gillette et al., 2008; Wang et coll., 2008). Une classe importante d’hydrogels auto-assemblés est l’hydrogel à éclaircissement par cisaillement. Les principales exigences pour les hydrogels d’amincissement par cisaillement sont la capacité de s’écouler sous une pression modeste, de geler rapidement après l’injection et de maintenir une résistance mécanique suffisante pendant le processus d’implantation. Une gélification lente peut entraîner la sédimentation des cellules et des médicaments transplantés. Il est important de noter que les méthodes de réticulation physique entraînent souvent des hydrogels faibles avec des modules allant de dizaines à des centaines de Pa. Cette plage correspond à la résistance mécanique de la moelle épinière, ce qui les rend adaptées à la réparation des SCI. Cependant, une telle résistance mécanique pourrait ne pas être suffisante pour une réparation PNI.
Un autre problème potentiel avec l’utilisation d’hydrogels est de savoir si les axones en régénération et les cellules de support peuvent efficacement remodeler les hydrogels pour en faire un environnement permissif de croissance. Des études antérieures utilisant des hydrogels ont montré que la régénération à long terme des nerfs périphériques pour un défaut sous-critique chez la souris (5 mm) était compromise en raison d’un obstacle physique posé par les hydrogels solides (Madison et al., 1987; Valentini et coll., 1987). Cela peut mettre en évidence l’importance du remodelage matriciel à l’aide de protéases, telles que la métalloprotéinase matricielle (MMP) 9, pour une régénération efficace (Nordstrom et al., 1995; Shubayev et Myers, 2004). Des études supplémentaires ont exploré les effets de la composition de la matrice de collagène sur la différenciation ESC murine. Plus précisément, la concentration de collagène affecte la capacité des corps embryoïdes des CES à se différencier à l’intérieur de l’échafaudage (Battista et al., 2005). À des concentrations élevées de collagène, les cellules ne pouvaient pas migrer et devenaient apoptotiques, indiquant une concentration optimale de matrice pour la migration cellulaire et un contact cellule–cellule est nécessaire pour la survie et la différenciation des cellules souches.
