Influence des propriétés physico-chimiques de surface de céramiques à base d’hydroxyapatite (HA) sur le comportement de cellules endothéliales

Discipline

Biologie Chimie Santé mention Recherche clinique, innovation technologique et thérapeutique

Classification

Sciences de la vie, biologie, biochimie

Mots-clés libres

Ceramiques phospho-Calciques, Vascularisation, Tubulogenèse, Cellules endothéliales, Substitution chimique, Microporosité

Le défi actuel en ingénierie des tissus osseux est la mise au point d’une nouvelle génération de biomatériaux, facilitant l'ostéoconduction (propriété passive d’un matériau à recevoir la repousse osseuse) et l'angiogenèse (formation de nouveaux vaisseaux sanguins à partir de vaisseaux préexistants), pour permettre l'ostéoinduction en offrant la possibilité de formation de tissu osseux sur de grandes pertes de substance, favorisant ainsi l'ostéointégration (intégration stable et fonctionnelle dans l’os environnant) des implants. Les céramiques phosphocalciques (CPCs), et plus particulièrement celles à base d'hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 sont fréquemment utilisées en chirurgie pour la réparation osseuse.Le défaut de vascularisation des implants semble être le facteur principal des échecs d’ostéointégration des biomatériaux. L'incorporation d'ions silicates dans les CPCs et la modification de leur architecture poreuse multi-échelle sont deux stratégies d’optimisation de la vascularisation des pièces architecturées poreuses.La réponse des cellules endothéliales aux propriétés chimiques et physiques de surface des biomatériaux est peu documentée, bien qu'essentielle. Nous avons cherché à caractériser in vitro la réponse d'une lignée de cellules endothéliales, C166, cultivées à la surface de CPCs variant soit par leur composition chimique (HA pure vs HA dopée au silicium), soit par leur microstructure (dense vs microporeuse). L'objectif principal de ce travail était le développement d'un modèle cellulaire pertinent pour l'étude des propriétés biologiques des matériaux et la compréhension de l'interface vivant-matériaux.Dans ce contexte, l'adhésion, l'activité métabolique et la prolifération des cellules endothéliales au contact des biomatériaux ont été étudiées. Elles ont été significativement altérées à la surface des céramiques microporeuses. De plus, un essai de tubulogenèse, utilisant un gel à base de fibrine, a été spécifiquement développé. Deux configurations ont été conçues pour distinguer l'influence de la chimie de celle des propriétés physiques de surface. Cet environnement 3D a permis la formation de structures semblables à des tubules, positives aux marqueurs endothéliaux MMP9 et VEGFR-2, qui étaient qualitativement plus fréquentes sur les céramiques denses. La concentration en calcium et phosphore dans le milieu de culture était réduite environ de moitié en présence des céramiques microporeuses, en lien avec des phénomènes de dissolution-reprécipitation à la surface des CPCs. L’appauvrissement du milieu en calcium était délétère pour l’activité migratoire et proliférative des C166 lors de tests de fermeture de lésions du tapis cellulaire. Aucune influence majeure du dopage au silicium de l'HA sur le comportement des C166 n'a été détectée. Enfin, dans l’objectif d’établir un modèle biologique pertinent, les réponses cellulaires d’un modèle in vitro de co-culture de cellules endothéliales C166 et de cellules ostéoblastiques MC3T3-E1 sc14 ont été étudiées à travers l’expression de marqueurs ostéogéniques et endothéliaux. Un réseau de structures tubulaires de type microcapillaires, positives au marqueur endothélial PECAM, a été observé dans un environnement 3D sur gel de fibrine. Il semble que les ratios 2C166 : 1MC3T3-E1 sc14 et 1C166 : 2MC3T3-E1 sc14 soient les plus pertinents pour favoriser conjointement l’angiogenèse et l’ostéogenèse.L'invasion vasculaire des CPCs poreuses reste essentielle à promouvoir. Ce travail va être poursuivi par des études avec des cultures primaires de cellules humaines endothéliales et ostéoblastiques, au comportement physiologiquement plus proche de celui des cellules in vivo. Des conditions de culture dynamiques en 3D en bioréacteur à flux par perfusion, fournissant un environnement contrôlé et optimisé pour la croissance, le maintien et la prolifération des cellules vivantes en culture, sont en cours de développement.