Mieux comprendre la maladie des os fragiles grâce à un modèle 3D comportant une matrice d'hydrogel biodégradable

Pour une personne souffrant d’une maladie des os fragiles, la vie est semée d’embûches. Le moindre faux pas, une chute apparemment anodine ou même un faux mouvement peuvent suffire à les laisser avec un bras ou une jambe cassée. Et il y a de fortes chances que cela se reproduise, car ils sont nés avec un défaut génétique héréditaire qui rend leurs os extrêmement fragiles et qui est souvent associé à une déformation physique. Parmi les victimes notables de la maladie des os de verre figurent l'auteur et acteur allemand Peter Radtke et le pianiste de jazz français Michel Petrucciani.

Dans la plupart des cas, ce qui cause la fragilité des os chez une personne est une mutation du gène qui porte le modèle de la protéine de collagène de type I. C’est de loin la protéine la plus importante pour établir une matrice osseuse dure.

Les personnes atteintes de cette maladie présentent un défaut génétique qui empêche cette protéine de collagène de se replier correctement, les laissant avec une matrice osseuse instable et des os fragiles. Le nom propre de la maladie des os fragiles est ostéogenèse imparfaite, ou OI en abrégé.

Une structure matricielle poreuse

Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont qu’une compréhension rudimentaire de la manière dont les mutations de la protéine collagène perturbent la formation de la matrice osseuse, ainsi que de la manière de traiter ces malformations. Mais aujourd’hui, un groupe de chercheurs de l’Institut de biomécanique de l’ETH Zurich a franchi une étape majeure vers la réponse à ces questions.

L'équipe est dirigée par Xiao-Hua Qin, professeur d'ingénierie des biomatériaux, en collaboration avec le professeur Ralph Müller de l'ETH Zurich. Ensemble, ils ont développé un modèle 3D in vitro qui leur permet d'étudier plus en détail la formation osseuse, en utilisant actuellement des cellules saines et, à l'avenir, également des cellules provenant de personnes atteintes d'OI.

Les chercheurs rendent compte de leurs progrès dans la revue Communications naturelles.

Ce nouveau modèle osseux est basé sur une matrice, ou structure, poreuse, constituée d'un polymère synthétique. Dans cette matrice constituée d’un hydrogel mou, les cellules (ostéoblastes) qui forment l’os peuvent s’installer, se multiplier et se connecter entre elles et avec leurs ramifications pour former un réseau tridimensionnel.

Au cours du développement, les chercheurs ont constaté que la taille idéale des pores se situe entre 5 et 20 micromètres : suffisamment larges pour permettre aux cellules de s'installer et de se multiplier, mais suffisamment étroites pour les empêcher de s'échapper.

En créant leur hydrogel, les chercheurs se sont inspirés de modèles in vitro de cellules nerveuses. “Les hydrogels poreux fournissent aux neurones un environnement extrêmement propice à la formation de réseaux artificiels”, explique Qin.

Mais il est vite apparu que les cellules précurseurs osseuses « réagissent complètement différemment » sur un point : si elles nécessitent également une matrice poreuse, cette matrice doit être biodégradable. Les chercheurs ont donc équipé leur hydrogel de ce que l’on appelle un agent de réticulation peptidique, qui peut être décomposé par une enzyme métalloprotéinase matricielle (MMP). Cela permet aux cellules de produire des fibres de collagène plus matures. Les MMP sont essentielles à de nombreux processus corporels, l’un d’entre eux étant la formation osseuse.

Cependant, pour garantir que les cellules osseuses puissent se développer et se mettre en réseau correctement, les chercheurs ont dû d'abord résoudre un autre problème.

“L'étude du développement osseux, ainsi que du remodelage osseux, implique une stimulation mécanique des cellules”, explique Doris Zauchner, doctorante dans le groupe de Qin et auteur principal du document de recherche. Les chercheurs ont placé un hydrogel contenant des cellules intégrées sur une puce et ont canalisé un liquide à travers les pores.

“Ce liquide soumet les cellules à des forces de cisaillement”, explique Zauchner, ce qui est important pour le fonctionnement cellulaire. Il a également été démontré qu’un liquide transportant des nutriments et des messagers chimiques stimule mécaniquement les cellules des pores des os sains.

Le modèle ressemble beaucoup à la formation osseuse normale

Comme le décrivent les chercheurs dans leur article, leur modèle osseux doté d’une matrice d’hydrogel biodégradable et d’une stimulation mécanique peut imiter avec succès le développement osseux. Les ostéoblastes se reproduisent et, dans certains cas, se transforment même en ostéocytes immatures (qui représentent 90 % des cellules des os sains) ; ils sécrètent du collagène et peuvent minéraliser la matrice.

“Il ne s'agit peut-être que d'un modèle”, explique Zauchner, “mais cela ressemble assez au développement osseux normal”. Maintenant qu’ils ont breveté leur modèle, les chercheurs envisagent de le mettre à la disposition de partenaires industriels potentiels.

Par rapport aux modèles précédents de formation osseuse, le nouveau modèle in vitro sur puce offre de nombreux avantages. Les pores de ces modèles précédents étaient soit trop étroits, de sorte que les cellules avaient à peine une marge de manœuvre, soit trop larges, de sorte qu'aucun réseau tridimensionnel ne pouvait se former.

De plus, comme ces modèles utilisaient du collagène pour leur structure matricielle, il était impossible d’étudier si ce sont les cellules elles-mêmes qui produisaient du collagène, et si oui, en quelle quantité. Le modèle étant suffisamment petit pour tenir sur une puce, les chercheurs peuvent l’utiliser même s’ils ne disposent que de quelques cellules d’un patient.

Remplacer les expérimentations animales

Jusqu’à présent, le principal moyen de recherche sur l’IO était de s’appuyer sur des modèles animaux. Zauchner note qu'il en existe plus de 20 différents, certains utilisant des souris, d'autres des poissons ou même des chiens. “Les expérimentations animales comportent de nombreuses contraintes”, explique-t-elle, la principale étant qu'elles sont extrêmement coûteuses.

“C'est pourquoi nous essayons de créer un modèle in vitro pour l'OI. Notre objectif est d'intégrer des cellules de personnes atteintes d'OI dans l'hydrogel en vue de découvrir quels processus fonctionnent mal.” Zauchner s'apprête à lancer les premières expériences avec des cellules provenant d'un jeune patient atteint d'OI à l'hôpital pour enfants de Zurich.

Le projet OI fait partie du programme national de recherche suisse “Advancing 3R”. Son objectif primordial est d’explorer comment appliquer l’approche 3R (Remplacer, Réduire et Affiner) aux expérimentations animales.

Le groupe de Qin cherche à mieux comprendre globalement les processus régissant la formation, le développement et la dégradation des os. À cette fin, les activités du groupe ne se limitent pas au nouveau modèle OI. Dans un autre projet, pour lequel Qin a récemment reçu une prestigieuse ERC Starting Grant, l'équipe développe un modèle pour les maladies dégénératives des os telles que l'ostéoporose. L’accent est mis ici sur les ostéocytes, qui sont des cellules osseuses différenciées en phase terminale.

“Nous voulons utiliser les réseaux tridimensionnels de cellules humaines pour construire un modèle in vitro de développement osseux”, explique Qin. Personne n’y est encore parvenu, sauf peut-être sa propre équipe. “Dans le modèle que nous venons de dévoiler, nous avons trouvé des ostéocytes immatures ainsi que des ostéoblastes.”