Cellules, Échafaudages et biofacteurs: De l’ingénierie tissulaire fonctionnelle à l’ingénierie tissulaire translationnelle

Les approches de médecine régénérative basées sur l’ingénierie des cellules et des échafaudages de biomatériaux en tissus « pièces détachées » promettent de façonner l’avenir de la chirurgie reconstructrice et de la transplantation d’organes. À ce jour, l’utilisation de tissus d’ingénierie fonctionnelle en croissance in vitro pour une implantation ultérieure dans des défauts tissulaires in vivo reste expérimentale, malgré quelques succès cliniques précoces. Dans cette approche, des combinaisons de cellules et de molécules bioactives sont ensemencées sur des échafaudages biomatériaux tridimensionnels

Les cellules peuvent être extraites de diverses sources, y compris les cellules souches embryonnaires, les cellules souches/progénitrices postnatales et adultes, ou les cellules souches pluripotentes induites (IPS) découvertes les plus récemment. L’approche commune dans la régénération tissulaire par ingénierie a été d’isoler les cellules des biopsies tissulaires ou des aspirats, de les manipuler et de les réintroduire dans l’hôte. Pour la régénération osseuse, plusieurs sources cellulaires ont été étudiées, y compris des aspirats de moelle osseuse frais ; cellules souches/progénitrices mésenchymateuses de moelle osseuse purifiées et expansées en culture, ostéoblastes et cellules qui ont été modifiées génétiquement pour exprimer des facteurs ostéogènes tels que rhBMP, cellules sanguines du cordon ombilical, cellules souches / progénitrices dérivées adipeuses ou cellules souches embryonnaires. Les avantages et les inconvénients perçus de ces sources cellulaires dans l’ingénierie du tissu osseux ont récemment été examinés.

L’un des principaux défis de la transplantation de cellules est le coût et la complexité associés au développement de stratégies expérimentales en produits approuvés par la réglementation. Le traitement cellulaire intra-opératoire, bien qu’à l’abri d’une approbation réglementaire, ne peut servir de service au point de service que pour un patient à la fois. Une fois les cellules manipulées hors site, l’approbation réglementaire est automatiquement requise. La transplantation cellulaire s’est heurtée à un certain nombre d’obstacles à la traduction clinique, notamment le rejet immunitaire potentiel pour les cellules non autologues, la transmission d’agents pathogènes, la tumorigénèse potentielle, les coûts associés à l’emballage, au stockage et à l’expédition, la durée de conservation et la réticence des médecins et l’assurance pour l’adoption clinique. La survie cellulaire chez l’hôte est également un problème non résolu, quelle que soit la source cellulaire, et il y a débat pour savoir si les cellules transplantées sont régénératrices en soi ou agissent simplement comme une source pléiotrope de facteurs et de signaux, en particulier dans leur capacité à réguler l’inflammation. Ces obstacles continueront d’être des défis pour la mise en œuvre de l’os modifié en tant que traitement clinique dans un avenir prévisible. Un paradigme alternatif consiste à activer les cellules souches endogènes pour participer à la régénération osseuse. Un exemple en est les cellules progénitrices périostées, qui sont activées par une blessure et jouent un rôle indispensable dans la réparation des fractures. Il reste à prouver si la simple mobilisation et le déplacement de cellules souches endogènes vers le site du défaut suffiront à la régénération et présenteront des avantages par rapport à la transplantation de cellules exogènes.

L’assemblage des cellules dans la forme tridimensionnelle (3D) requise du défaut osseux nécessite un biomatériau d’échafaudage qui délivre et retient les cellules, et stimule et guide potentiellement leur induction de régénération tissulaire. Les exigences minimales des échafaudages biomatériaux en plus de la subsistance de la forme (forme et taille 3D) comprennent la fixation (fixation de l’attachement à l’os hôte et minimisation du micro-mouvement), la fonction (mise en place d’une charge mécanique temporaire ou permanente) et la Formation (fourniture d’une porosité appropriée pour le transport de masse, la revascularisation, l’ostéoinduction et l’ostéoconduction). Des caractéristiques de biocompatibilité supplémentaires doivent également être satisfaites dans les échafaudages de biomatériaux, y compris le manque d’immunogénicité et de toxicité. De plus, les échafaudages peuvent être améliorés par une fonctionnalisation de surface pour obtenir une affinité pour la liaison cellulaire et une modulation interactive de la réponse des cellules, et peuvent être conçus pour une administration localisée et contrôlée de diverses molécules bioactives.

Les échafaudages peuvent dériver de tissus natifs et de polymères biologiques et/ ou de polymères synthétiques, et peuvent être fabriqués à l’aide de diverses techniques conventionnelles (examinées dans). Parmi ces techniques, la fabrication de formes libres solides (SFF) offre des avantages distincts en permettant un contrôle exquis de la forme de l’échafaudage et de l’architecture interne basée sur une modélisation 3D guidée par l’image médicale du défaut osseux. Récemment, la bio-impression 3D a été rendue possible par la disponibilité commerciale de systèmes d’impression 3D multi-injecteurs à basse température et haute résolution, qui ont été développés à l’origine pour des applications de prototypage rapide. Cette technologie a été adaptée avec succès pour l’ingénierie du tissu osseux avec une poudre de phosphate de calcium biocompatible et ostéoinductive et un système de liant biocompatible pour l’impression 3D guidée par tomodensitométrie d’échafaudages spécifiques au patient. Les capacités multi-injecteurs d’une imprimante 3D colorée permettent potentiellement d’intégrer des combinaisons de biofacteurs et de molécules dans l’échafaudage avec un contrôle spatial, ce qui peut être intéressant dans des scénarios nécessitant un contrôle spatio-temporel de la cinétique de libération. Cependant, un examen récent des échafaudages pour l’ingénierie des tissus osseux a dressé un tableau sombre des progrès translationnels du domaine, qui reste criblé de défis techniques de conception, de fabrication et de fonctionnalisation des échafaudages, d’obstacles à l’approbation réglementaire, de défis commerciaux liés à l’identification de marchés de niche et à la génération d’importants investissements initiaux nécessaires pour soutenir l’entreprise tout au long du processus réglementaire long, et de problèmes de cycle de vie de la propriété intellectuelle (PI) qui doivent protéger le produit suffisamment longtemps au-delà du processus réglementaire pour récupérer. investir et rendre ces produits commercialement viables.

L’administration de biofacteurs et de molécules peut modifier la signalisation cellulaire dans le milieu défectueux et il a été démontré qu’elle influence le résultat de la régénération. Un paradigme populaire en ingénierie tissulaire suggère que la réactivation des facteurs de développement et la signalisation pourraient être nécessaires à une véritable régénération du tissu adulte perdu. Cependant, il n’est pas clair si les gradients et cascades complexes de signalisation développementale doivent ou peuvent être reproduits fidèlement dans la réparation tissulaire postnatale. Quoi qu’il en soit, notre compréhension de la biologie du développement du système musculo-squelettique, et plus particulièrement de la formation osseuse endochondrale et intramembraneuse dans l’embryon, nous fournit une pléthore d’informations sur les facteurs qui, lorsqu’ils sont appliqués individuellement, peuvent améliorer la régénération osseuse. Cette dernière approche, plus simple, est préférable pour la traduction thérapeutique.

Un exemple en a été la découverte des protéines morphogénétiques osseuses (BMP), découvertes par Marshall Urist et vantées pour leurs propriétés ostéoinductives. Des études scientifiques de base utilisant des souris transgéniques chez lesquelles des PGB individuelles ont été éliminées sélectivement du squelette des membres ont identifié la PGB-2 comme un facteur critique de la capacité régénératrice innée de l’os. La combinaison de BMP-2 humain recombinant sur un support d’éponge de collagène résorbable (ACS) a été l’un des systèmes les plus étudiés dans les investigations précliniques et cliniques, et représente l’une des découvertes orthopédiques thérapeutiques les plus significatives. Avec les données d’essais cliniques de niveau 1 à l’appui, rhBMP-2 / ACS (Greffe osseuse INFUSE®) est disponible dans le commerce, au moment de la rédaction de cet article, pour trois indications cliniques approuvées par la Food and Drug Administration (FDA), y compris la fusion spinale, les fractures tibiales ouvertes avec fixation intermédullaire (IM) de l’ongle, l’augmentation buccale et maxillo-faciale (augmentations des sinus et augmentations de la crête alvéolaire pour les défauts associés aux alvéoles d’extraction). Cependant, l’efficacité des greffes osseuses PAR PERFUSION nécessite des concentrations supraphysiologiques de BMP-2, et de nombreux événements indésirables ont été déposés à la FDA et rapportés dans la littérature dans des indications approuvées et des utilisations non indiquées sur l’étiquette. Par conséquent, l’identification de doses efficaces de BMP-2 (et peut-être d’autres facteurs ostéogènes et vasculogènes) pour la régénération de défauts osseux critiques, de préférence avec des effets secondaires tolérables et subcliniques, reste un défi commun pour la communauté de régénération tissulaire.

Une perspective passionnante a été la découverte de la valeur thérapeutique des hormones systémiques telles que l’hormone parathyroïdienne (PTH) dans la réparation des fractures et l’ingénierie tissulaire des défauts diaphysaires critiques dans les modèles précliniques. Cette approche systémique de la livraison pourrait surmonter les défis associés à la livraison locale, mais reste à valider cliniquement.

Pour résumer, chacun des composants individuels de la triade conventionnelle d’ingénierie tissulaire (cellules, échafaudages et biofacteurs) présente des défis uniques. L’optimisation de ces constructions composites en substituts tissulaires fonctionnels est généralement réalisée empiriquement en laboratoire ex vivo à l’aide de modèles de culture cellulaire et tissulaire et in vivo à l’aide de modèles animaux précliniques. Cependant, cette approche s’est heurtée à des obstacles difficiles à la traduction du banc au chevet du patient. Un produit médical à trois composants aurait au moins 3ni combinaisons possibles de variables indépendantes (où ni est le nombre de variables possibles associées auth composant du produit à trois composants), ce qui rend impossible la faisabilité de tester la matrice expérimentale dans une enquête complète. Cela a limité les progrès dans le domaine aux découvertes incrémentielles, malgré des développements passionnants et des technologies de pointe qui ont été rapportées dans des modèles de petits animaux et précliniques. Les exigences réglementaires des produits de régénération osseuse à plusieurs composants ont entravé et continuent de ralentir la traduction clinique. Néanmoins, des approches régénératrices innovantes « au point de soins » guidées par le paradigme de l’ingénierie tissulaire ont été rapportées dans la littérature clinique avec des succès précoces remarquables.