L'ingénierie des tissus osseux se situe à l'intersection de la science des matériaux, de la biologie cellulaire et de la biomécanique, visant à réparer ou à remplacer les os endommagés causés par des traumatismes, des maladies ou une dégénérescence liée à l'âge. Un défi central dans ce domaine consiste à diriger les cellules souches vers des ostéoblastes, les cellules spécialisées qui forment de nouveaux os. Bien que les facteurs biochimiques comme les facteurs de croissance et les hormones soient des régulateurs bien établis, les stimuli mécaniques sont apparus comme des moteurs tout aussi puissants du destin des cellules souches.

Le rôle des stimuli mécaniques dans la régénération des os

La charge mécanique, qu'elle soit due à la marche quotidienne, à l'entraînement du poids ou même à la microgravité dans l'espace, influence directement le remodelage des os. Dans le domaine de l'ingénierie des tissus, la reproduction de ces forces est essentielle parce que les cellules souches cultivées en conditions statiques ne parviennent souvent pas à mûrir en cellules osseuses robustes. La stimulation mécanique imite l'environnement physiologique naturel, favorise la différenciation ostéogène et la minéralisation matricielle. Par exemple, il a été démontré que la compression cyclique à une échelle modérée a pour effet de renforcer l'expression de l'ostéopontine et de la sialoprotéine osseuse dans les cellules souches mésenchymiques (CSM) ensemencées sur des échafauds. L'ampleur, la fréquence et la durée de la charge mécanique doivent être soigneusement calibrées: une force trop faible ne déclenche pas une réponse, tandis que la force excessive peut entraîner la mort cellulaire ou la différenciation non désirée en cartilages ou tissus fibreux.

Sources de cellules souches pour l'ingénierie des tissus osseux

Plusieurs types de cellules souches sont utilisés en ingénierie osseuse, chacune ayant des profils de réaction mécanique distincts. Les cellules souches mésenchymiques (CSM) dérivées de la moelle osseuse ou du tissu adipeux sont les plus courantes en raison de leur polypose et de leur facilité d'isolement. Les cellules souches pluripotentes induites (CSPi) offrent un potentiel d'expansion illimité et peuvent être spécifiques au patient, mais leur méchanobiologie est moins caractérisée. Les cellules souches embryonnaires sont puissantes mais font face à des obstacles éthiques et réglementaires.

Types de stimuli mécaniques et leurs effets

Les stimuli mécaniques peuvent être classés en trois grandes modalités : compression, traction et contrainte de cisaillement des fluides. Chacun exerce des effets distincts sur le comportement des cellules souches, et les combine souvent donne des résultats synergiques.

Compression

Les forces de compression imitent la fonction portante des os, en particulier dans les régions portantes comme le fémur et les vertèbres. In vitro, la charge cyclique de compression des MSC encapsulée dans les échafaudages hydrogels upregule les gènes ostéogènes tels que RUNX2 et Ostérix. La compression stimule également la libération de facteurs solubles comme la prostaglandine E2, qui peut agir de manière paracrine pour améliorer la formation osseuse. Les études utilisant des échafaudages polycaprolactone-tricalcium phosphatés soumis à 10% de souche à 1 Hz pendant 1 heure par jour ont montré une augmentation de 2,5 fois du volume osseux par rapport aux témoins non chargés dans un modèle de défaut crânien de rat in vivo.

Tension

La tension (stretching) est ressentie par les os lors de l'attachement musculaire et lors des mouvements de flexion où un côté de l'os subit une tension. Ce stimulus est particulièrement efficace pour orienter les cellules et les fibres de collagène le long de l'axe de la souche, améliorant les propriétés mécaniques anisotropes de l'os artificiel. Des expériences in vitro avec les MSC cultivés sur des échafaudages de collagène-GAG et soumis à une tension cyclique de 8 % à 0,5 Hz ont montré une augmentation du dépôt de collagène de type I et une amélioration de l'alignement. La tension active également la voie de signalisation ERK1/2, qui favorise la progression du cycle cellulaire et la production de matrices.

Stress de cisaillement

Dans les bioréacteurs, le SFS peut être appliqué par perfusion du milieu de culture à travers des échafaudages poreux. Le stress de cisaillement est un puissant stimulus ostéogène, principalement parce qu'il active les canaux ioniques méchanossensibles (p. ex. Piezo1) et les cils primaires à la surface cellulaire. Il a été démontré que les débits de perfusion de 0,1 à 1 mL/min augmentent l'expression de la protéine morphogénétique osseuse 2 (BMP-2) et de l'ostéocalcine dans les MSC par rapport à la culture statique jusqu'à quatre fois. Le cisaillement améliore également le transport en masse des nutriments et de l'oxygène, ce qui est essentiel pour les constructions épaisses qui souffrent autrement de limitations de diffusion.

Voies de mécanotransduction

La mécanisation est le processus par lequel les cellules convertissent les forces physiques en signaux biochimiques. Plusieurs voies interconnectées médiateur la différenciation des cellules souches en réponse aux stimuli mécaniques.

Signalisation Wnt/β-caténine

La compression cyclique a été montrée pour augmenter la régulation de Wnt3a et LRP5, un co-récepteur pour les ligands Wnt. Les mutations dans LRP5 sont liées à des troubles de densité osseuse, soulignant l'importance de la voie. Dans le génie tissulaire, les échafaudages intégrant les agonistes Wnt peuvent synerger avec la charge mécanique pour accélérer l'ostéogenèse.

Signalisation de la MAPK/ERK

La cascade de la protéine kinase activée par les mitogènes (MAPK), en particulier la protéine ERK1/2, est rapidement activée par des forces mécaniques. Le stress et la tension du cisaillement stimulent à la fois l'agrégation de l'intégrine et la phosphorylation de la kinase focale (FAK), qui activent à son tour la ERK. La phosphorylate ERK runx2 augmente son activité transcriptionnelle.

Signalisation Rho/ROCK

RhoA et son effecteur ROCK régulent la dynamique du cytosquelette d'actine et la contractilité cellulaire. Les stimuli mécaniques activent RhoA, ce qui entraîne la formation de fibres de stress et des changements de forme cellulaire. Ces changements cytosquelettiques influencent la localisation des co-activateurs transcriptionnels tels que YAP/TAZ. Par exemple, dans les cellules soumises à une faible contrainte de cisaillement, YAP/TAZ reste dans le cytoplasme, favorisant la prolifération; sous un cisaillement élevé, ils se transloquent au noyau et stimulent l'expression génique ostéogénique.

Signalisation du calcium et cilia primaire

Les stimuli mécaniques peuvent ouvrir des canaux ioniques perméables au calcium (p. ex. TRPV4, Piezo1), ce qui entraîne des transitoires calciques intracellulaires. Ces pics calciques activent la calmoduline et les kinases en aval qui améliorent la transcription ostéogène. Les cilules primaires, à base de microtubules, sont des organelles réceptives au flux de fluide, agissent comme mécanosenseurs en se pliant sous les forces de cisaillement.

Bioréacteurs et conception d'échafaudage pour la climatisation mécanique

La traduction des principes de stimulation mécanique en génie tissulaire pratique nécessite des bioréacteurs capables de fournir des forces réproductibles contrôlées aux échafaudages à graines cellulaires. Plusieurs conceptions de bioréacteur ont été développées :

  • [Utilisez un piston ou un plateau pour appliquer une compression cyclique ou statique.Les conceptions modernes intègrent des cellules de charge pour contrôler précisément l'amplitude et la fréquence de la force, ce qui permet une précision de millinewton.
  • bioréacteurs de perfusion:[ milieu de culture circulant à travers les pores de l'échafaudage, générant une contrainte de cisaillement des fluides. Ils améliorent également le transport de masse, critique pour les constructions plus grandes (>5 mm d'épaisseur).
  • bioréacteurs sensibles: Étreignez les échafaudages uniaxialement ou biaxialement. Ils sont moins communs pour les os mais sont utilisés en ingénierie du tendon et du ligament.
  • bioréacteurs multimodaux:[ Combiner la compression et la perfusion pour imiter plus étroitement l'environnement mécanique complexe de l'os. De tels systèmes ont montré des augmentations synergiques du volume osseux et du module compressif.

Les échafaudages idéaux pour la stimulation mécanique sont poreux (pour permettre le flux de fluide), biocompatibles et ont des propriétés mécaniques qui correspondent à l'os naturel (module compressif 1-20 GPa). Les polymères synthétiques (p. ex. PLGA, PCL) et les matériaux naturels (p. ex. collagène, hydroxyapatite) sont couramment utilisés. L'incorporation de signaux microtopographiques et nanotopographiques peut amplifier la mécanisation en améliorant l'agrégation des intégrins. Par exemple, les surfaces nanopatternées qui miment l'alignement des fibrilles du collagène peuvent augmenter l'expression des marqueurs ostéogènes de 3 fois sous tension cyclique par rapport aux surfaces plates.

Dans Vitro vs. In Vivo Applications

La stimulation mécanique in vitro a été étudiée de façon approfondie, mais la traduction de ces paradigmes dans des milieux in vivo ou cliniques reste difficile. Les échafaudages préconditionnés dans un bioréacteur avant l'implantation peuvent créer une construction plus mature et mécaniquement robuste. Dans un modèle de défaut tibial de mouton, les MSC semés sur des échafaudages collagène-hydroxyapatite et préchargés avec compression cyclique pendant 3 semaines ont atteint 85 % d'union osseuse à 12 semaines, comparativement à 50 % dans des commandes non chargées. Cependant, l'environnement mécanique in vivo est plus complexe, avec des charges dynamiques du mouvement et du poids-porteur. Certains chercheurs explorent l'utilisation de dispositifs de fixation résorbable qui fournissent une stimulation mécanique initiale au fur et à mesure que l'échafaud s'intègre.

Incidences sur l'ingénierie des tissus osseux

En intégrant une charge mécanique optimisée dans la conception des échafaudages et la culture des bioréacteurs, les chercheurs ont réalisé des améliorations significatives dans la formation osseuse, jusqu'à 5 fois plus de volume osseux et 2 fois plus d'améliorations de la force mécanique que les cultures statiques. Ces avancées ont des implications cliniques directes pour le traitement des défauts osseux segmentaires (par exemple, par traumatisme ou par resection tumorale), des fractures non syndicales et des fractures ostéoporotiques. L'utilisation de cellules souches pluripotentes induites par le patient et le conditionnement mécanique pourrait permettre des greffes osseuses personnalisées qui correspondent aux exigences mécaniques du site de défectuosité.

Orientations et défis futurs

Malgré les promesses, plusieurs obstacles subsistent : la normalisation des paramètres mécaniques pour différents matériaux et types de cellules d'échafaudage – un protocole qui fonctionne pour les MSC sur un échafaudage PLGA peut ne pas être optimale pour les iPSC sur un hydrogel de collagène. Les conceptions de bioréacteurs doivent tenir compte de la forme et de la taille des constructions à échelle clinique (p. ex., des segments entiers de fémur). Les mécanismes de mécanisation sont encore en cours d'élucidation; les voies non canoniques, comme celles impliquant des microARN ou des exosomes, peuvent jouer un rôle important.

En répliquant les forces naturelles que les os subissent, les chercheurs peuvent améliorer la formation d'os fonctionnels et mécaniquement compétents. Les progrès continus de la technologie des bioréacteurs, de la conception des échafaudages et de notre compréhension de la mécanisation ouvriront la voie à la traduction clinique. Avec une optimisation minutieuse, les constructions de cellules souches conditionnées mécaniquement pourraient bientôt devenir une thérapie standard pour la régénération osseuse, offrant un nouvel espoir aux patients présentant de graves défauts osseux. Pour plus de détails, voir la revue sur la mécanisation osseuse de Klein-Nulend et al., l'étude sur la compression cyclique des MSC dans les échafaudages de soie de Hofmann et al. et les travaux sur les bioréacteurs de perfusion pour l'ingénierie osseuse de Grayson et al..