L'ingénierie tissulaire du cartilage représente une stratégie prometteuse pour réparer et régénérer le cartilage articulaire endommagé, un tissu notoirement limité dans sa capacité de guérison intrinsèque en raison de sa nature avasculaire, anévrale et alymphatique. Le défi central dans ce domaine est la production fiable de néocartilage fonctionnel et durable qui peut restaurer la biomécanique articulaire et soulager la douleur. Au cœur de ce défi réside le comportement des chondriocytes, les cellules spécialisées et en phase terminale, responsables de la synthèse et du maintien de la matrice extracellulaire (ECM) du cartilage.

Comprendre la dédifférenciation des chondriocytes

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Les mécanismes moléculaires sous-jacents à la dédifférenciation sont complexes et impliquent des altérations des voies de signalisation, des réseaux de facteurs de transcription et de la régulation épigénétique. Les principaux acteurs sont la déréglementation de SOX9, le facteur maître de transcription pour la chondrogenèse, et la régulation de Runx2 et d'autres facteurs de transcription ostéogènes ou fibroblastiques. Le processus est également alimenté par des réarrangements cytosquelettiques médiés par la signalisation Rho/ROCK, des changements dans l'expression de l'intégrine et des indices microenvironnementaux tels que la rigidité du substrat et la tension d'oxygène.

Impact sur les résultats de l'ingénierie des tissus de cartilage

La différenciation des chondrocytes a des conséquences profondes sur la qualité et le succès clinique des implants de cartilage conçus à partir de tissus. Lorsque des cellules décomposées sont utilisées comme composant cellulaire d'un greffon, le néocartilage résultant présente généralement des propriétés mécaniques inférieures – module compressif réduit, résistance à la traction plus faible et teneur en protéoglyca diminuée – par rapport aux tissus indigènes. Cette carence compromet directement la capacité du greffon à résister à la charge mécanique cyclique éprouvée dans les articulations, entraînant une dégénérescence précoce et une défaillance de l'implant.

Les études cliniques ont révélé des résultats sous-optimaux lorsqu'on utilise des chondriocytes décomposés et élargis dans des traitements comme l'implantation autologues de chondriocytes (ICI) ou l'implantation matricielle de chondriocytes (MIC). Une mauvaise intégration avec le cartilage natif environnant, un remplissage excessif des tissus fibreux et une délamination ont toutes été attribuées à un entretien phénotypique inadéquat.Ces échecs mettent en évidence la nécessité urgente de contrôler la différenciation pour obtenir une réparation durable et fonctionnelle.

Facteurs contribuant à la différenciation

La compréhension de ces éléments est la première étape vers l'atténuation de leurs effets.

  • Production monocouche étendue:[ Le passage répété dans des substrats en plastique bidimensionnels force les cellules à fixer, à propager et à proliférer, à activer la formation de fibres de stress et les voies de signalisation qui favorisent la dégénérescence. L'effet cumulatif devient prononcé au-delà du passage 2–3.
  • Tension d'oxygène suboptimale : Les chondrocytes in vivo résident dans un milieu hypoxique (1-5 % d'oxygène).La culture à des niveaux d'oxygène ambiant (20 %) induit un stress oxydatif et modifie l'expression génétique, accélérant la dédifférenciation.
  • Absence d'ECM approprié:[ La perte de la matrice péricellulaire indigène pendant l'isolement élimine les indices biochimiques et biomécaniques critiques qui maintiennent le phénotype.
  • Contrainte mécanique pendant la manipulation:[ La digestion enzymatique et le grattage mécanique peuvent causer des contraintes cellulaires et des dommages qui modifient les cascades signalantes impliquées dans la stabilité du phénotype.
  • milieu des facteurs de croissance:[ Les milieux contenant du sérum, tout en soutenant la prolifération, contiennent des facteurs non définis qui peuvent favoriser la dégénérescence.
  • État de l'âge et de la maladie du donneur:[ Les chondriocytes de donneurs âgés ou ostéo-arthritiques sont plus susceptibles de dégénérer, ce qui reflète un phénotype de base déjà compromis.

Stratégies visant à atténuer la différenciation

Des recherches approfondies ont été menées pour élaborer des méthodes qui préviennent, limitent ou même inversent la dédifférenciation des chondriocytes. Ces approches peuvent être classées en trois dimensions : environnements de culture, stimulation biochimique, charge mécanique et interventions génétiques ou épigénétiques. Souvent, combiner plusieurs stratégies donne les meilleurs résultats pour préserver ou restaurer le phénotype chondrogénique.

Systèmes culturels à trois dimensions

Un premier facteur de dédifférenciation est la morphologie bidimensionnelle forcée en monocouche. La recréation d'un environnement tridimensionnel plus physiologique est considérée comme la contre-mesure la plus efficace.

  • Échafaudages et hydrogels: Les matériaux naturels tels que le collagène, l'alginate, l'acide hyaluronique et la fibrine, ainsi que les polymères synthétiques tels que l'acide poly(acide lactique-coglycolique) (PLGA) et les hydrogels poly(éthylène glycol) (PEG), fournissent une matrice de soutien qui encourage les cellules à conserver une morphologie arrondie et à déposer des ECM spécifiques au cartilage.
  • Hydrogels peptidiques auto-assemblés: Ces échafaudages en nanofibre synthétique offrent des environnements chimiques définis qui peuvent présenter des motifs bioactifs, tels que les peptides RGD, pour améliorer l'adhérence cellulaire et la signalisation tout en maintenant le phénotype.
  • Les cultures de micromasse et de granulés:[ Une agrégation simple et sans échafaudage des chondriocytes en granulés ou micromasses de haute densité favorise les interactions cellules-cellules et la réinduction de la chondrigenèse, ce qui les rend utiles pour étudier la dédifférenciation et les interventions de test.
  • Cartilage décellulé ECM échafaudages: L'utilisation d'ECM natif comme échafaudage fournit des indices biochimiques et structurels qui imitent étroitement l'environnement in vivo, souvent surperformant des alternatives synthétiques pour maintenir le phénotype des chondriocytes.

Le choix du matériau, de la taille des pores, du taux de dégradation et des propriétés mécaniques influence le comportement cellulaire. Les conceptions optimales intègrent souvent des caractéristiques qui favorisent la diffusion des nutriments et l'élimination des déchets tout en offrant une intégrité mécanique suffisante pour résister aux charges articulaires.

Stimulation biochimique

L'addition exogène de facteurs de croissance spécifiques, de cytokines et de petites molécules peut activement supprimer la dédifférenciation et favoriser la redifférenciation.

  • Les protéines morphogénétiques (BMPs, en particulier BMP-2, BMP-7 et BMP-9) du facteur de croissance-bêta transformant sont de puissants inducteurs de l'expression et de la synthèse de la matrice de cartilage SOX9. Cependant, une posologie prudente est nécessaire pour éviter une différenciation terminale ou une hypertrophie.
  • Le facteur de croissance 1 semblable à l'insuline (IGF-1) : favorise la synthèse du protéoglycan et du collagène tout en réduisant l'activité catabolique.
  • Les facteurs de croissance des fibroblastes (FGF):[ Le FGF de base (FGF-2) peut soutenir la prolifération cellulaire avec moins de dédifférenciation lorsqu'il est utilisé de façon transitoire, mais une exposition prolongée peut entraîner une différenciation fibroblastique.
  • Il a été démontré que des composés tels que la kartogène, la purmorphamine et l'acide ascorbique favorisent la chondrogenèse et inhibent la dédifférenciation par diverses voies de signalisation (p. ex., modulation des espèces de hérisson, de Wnt et d'oxygène réactif).
  • milieu sans sérum défini:[ L'élimination des composants sériques non définis et le complément de facteurs contrôlés avec précision réduisent la variabilité et peuvent ralentir la dédifférenciation.

Des combinaisons de ces facteurs, livrées de manière contrôlée dans le temps, sont étudiées dans des systèmes de bioréacteurs pour recapituler la séquence de développement de la formation de cartilage.

Stimulation mécanique

Le cartilage articulaire est un tissu mécanoréactif; une charge physiologique est essentielle pour maintenir sa santé. L'application de repères mécaniques appropriés aux constructions conçues peut atténuer la dédifférenciation en fournissant des signaux qui renforcent le phénotype des chondrocytes.

  • La compression dynamique:[La charge de compression cyclique à des grandeurs physiologiquement pertinentes (p. ex., une souche de 10% à 1 Hz) permet de mieux réguler la synthèse du collagène agrécan et du collagène de type II tout en décrélifiant les collagènes et les métalloprotéinases matricielles de type I (MMP).
  • Pression hydrostatique:[ La pression hydrostatique intermittente (p. ex., 5-10 MPa) imite les forces générées pendant la charge articulaire et a permis de maintenir le phénotype chondricytaire dans les cultures 3D.
  • Le cisaillement induit par les fluides, tel qu'il est généré par des bioréacteurs rotatifs, peut améliorer le transport de masse et fournir des indices mécanisologiques qui suppriment la dédifférenciation, bien que le cisaillement excessif puisse être préjudiciable.

Les systèmes bioréacteurs qui combinent plusieurs stimuli mécaniques et contrôlent précisément la perfusion, la tension d'oxygène et la supplémentation biochimique représentent une plate-forme puissante pour produire un cartilage de haute qualité, conçu par les tissus.

Approches génétiques et épigénétiques

Les progrès de la biologie moléculaire offrent des outils de précision pour intervenir directement dans le processus de dégénérescence au niveau génétique ou épigénétique.

  • Surexpression de SOX9: Surexpression transitoire ou stable du régulateur chondrogène principal SOX9 a été utilisé pour maintenir ou restaurer le phénotype des chondriocytes, même après de multiples passages. Des vecteurs viraux (p. ex., lentivirus, adénovirus) ou des méthodes non virales (p. ex., transfection de l'ARNm, électroporation plasmidique) peuvent être utilisés.
  • Édition de genre avec CRISPR/Cas9: L'édition ciblée de gènes qui provoquent la dégénérescence (p. ex. RUNX2, COL1A1) ou qui améliorent les voies chondrogéniques (p. ex., les améliorateurs SOX9) est une stratégie émergente, bien que des défis subsistent dans la prestation et les effets hors cible.
  • Filtration épigénétique: Les inhibiteurs des histones désacétylases (HDAC) et des méthyltransférases de l'ADN peuvent réactiver les gènes des chondriocytes silencieux et supprimer ceux des fibroblastiques. Par exemple, il a été démontré que les inhibiteurs de l'HDAC comme la trichostatine A ont eu pour effet d'augmenter l'expression des sOX9 et des COL2A1 dans les chondriocytes en passage.
  • Le traitement par microARN: Des microRNA spécifiques (miRs) tels que miR-140, miR-145 et miR-221 ont été impliqués dans la chondrogenèse et la dédifférenciation. La manipulation de leur expression par des mimiques ou des inhibiteurs peut aider à maintenir le phénotype.

Ces stratégies génétiques et épigénétiques sont puissantes, mais soulèvent des préoccupations en matière de sécurité et de réglementation pour l'application clinique, en particulier en ce qui concerne les effets non ciblés et la stabilité à long terme des modifications.

Perspectives futures et traduction clinique

Malgré des progrès importants, la traduction de ces stratégies en traitements cliniques fiables demeure un obstacle majeur. Les méthodes les plus cliniquement pertinentes doivent être rentables, évolutives et reproductibles. Une des directions prometteuses est l'utilisation de chondriocytes autologues récoltés dans des régions non portantes et développés en un seul passage dans des conditions optimisées (p. ex. faible oxygène, cocktails de facteurs de croissance, culture 3D dans des échafaudages biocompatibles) avant l'implantation.

L'intégration avec les greffes artificielles est un autre défi crucial.Même si les cellules conservent le phénotype in vitro, une mauvaise intégration avec les tissus indigènes environnants peut conduire à la délamination et à l'échec.Les chercheurs explorent des hydrogels bioadhésifs, des traitements enzymatiques pour améliorer l'interdigation cellulaire et des co-cultures de cellules souches mésenchymiques (CSM) pour améliorer l'intégration.

Il faut également tenir compte des facteurs propres au patient, y compris l'âge, la génétique et l'étendue des dommages articulaires. Les stratégies futures peuvent comprendre des cellules souches pluripotentes induites par le patient (iPSC) qui peuvent être dirigées vers une lignée de chondriocytes et élargies avec une dédifférenciation minimale.

Même pour les greffes allogéniques, les chondriocytes dédigués peuvent exprimer des molécules de MHC qui déclenchent le rejet, tandis que les chondriocytes bien différenciés et privilégiés par l'immunité peuvent échapper à la détection immunitaire. La modulation des réponses immunitaires et le contrôle de la dédifférenciation pourraient améliorer les résultats.

Conclusion

La dégradation des chondrocytes demeure un obstacle majeur dans l'ingénierie des tissus cartilage. La perte du phénotype spécialisé et produisant des ECM pendant l'expansion cellulaire compromet directement l'intégrité mécanique, la durabilité et le succès clinique des greffes artificielles. Cependant, un nombre croissant de recherches ont élucidé les mécanismes moléculaires qui conduisent à la dégénérescence et ont identifié une gamme de contre-mesures efficaces. Les environnements de culture tridimensionnels, les cocktails biochimiques adaptés, la charge mécanique physiologiquement pertinente et les outils génétiques ou épigénétiques émergents offrent tous des voies pour préserver ou restaurer le phénotype des chondrocytes. Les solutions les plus robustes combineront probablement ces stratégies de manière contrôlée et reproductible, intégrant la technologie bioréactorienne à la conception avancée de l'échafaudage.

Sélectionne des références

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