Un nouveau biomatériau régénère le cartilage endommagé des articulations

Des scientifiques de l’Université Northwestern ont développé un nouveau matériau bioactif qui a régénéré avec succès du cartilage de haute qualité dans les articulations du genou d’un modèle animal de grande taille.

Bien qu’il ressemble à une substance caoutchouteuse, le matériau est en fait un réseau complexe de composants moléculaires, qui fonctionnent ensemble pour imiter l’environnement naturel du cartilage dans le corps.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont appliqué le matériau sur le cartilage endommagé des articulations du genou des animaux. En seulement six mois, les chercheurs ont observé des signes de réparation améliorée, notamment la croissance de nouveau cartilage contenant des biopolymères naturels (collagène II et protéoglycanes), qui permettent une résilience mécanique indolore des articulations.

Avec plus de travail, les chercheurs affirment que le nouveau matériau pourrait un jour être utilisé pour prévenir les opérations de remplacement complet du genou, traiter les maladies dégénératives comme l’arthrose et réparer les blessures liées au sport comme les déchirures du LCA.

L’étude a été publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

« Le cartilage est un élément essentiel de nos articulations », a déclaré Samuel I. Stupp, de Northwestern, qui a dirigé l’étude.

« Lorsque le cartilage est endommagé ou détruit au fil du temps, cela peut avoir un impact considérable sur la santé générale et la mobilité des personnes. Le problème est que, chez les adultes, le cartilage n’a pas la capacité inhérente de cicatriser. Notre nouvelle thérapie peut induire une réparation dans un tissu qui ne se régénère pas naturellement. Nous pensons que notre traitement pourrait contribuer à répondre à un besoin clinique grave et non satisfait. »

Pionnier de la nanomédecine régénérative, Stupp est professeur au conseil d’administration de science et d’ingénierie des matériaux, de chimie, de médecine et d’ingénierie biomédicale à Northwestern, où il est directeur fondateur du Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology et de son centre affilié, le Center for Regenerative Nanomedicine.

Stupp est professeur à la McCormick School of Engineering, au Weinberg College of Arts and Sciences et à la Feinberg School of Medicine. Jacob Lewis, ancien doctorant dans le laboratoire de Stupp, est le premier auteur de l’article.

Qu’y a-t-il dans le matériel ?

La nouvelle étude fait suite à des travaux récemment publiés par le laboratoire Stupp, dans lesquels l’équipe a utilisé des « molécules dansantes » pour activer les cellules cartilagineuses humaines afin de stimuler la production de protéines qui construisent la matrice tissulaire.

Au lieu d’utiliser des molécules dansantes, la nouvelle étude évalue un biomatériau hybride également développé dans le laboratoire de Stupp. Le nouveau biomatériau comprend deux composants : un peptide bioactif qui se lie au facteur de croissance transformant bêta-1 (TGFb-1) – une protéine essentielle à la croissance et à l’entretien du cartilage – et de l’acide hyaluronique modifié, un polysaccharide naturel présent dans le cartilage et le liquide synovial lubrifiant des articulations.

« De nombreuses personnes connaissent l’acide hyaluronique car c’est un ingrédient très utilisé dans les produits de soin de la peau », explique Stupp. « On le trouve également naturellement dans de nombreux tissus du corps humain, notamment dans les articulations et le cerveau. Nous l’avons choisi car il ressemble aux polymères naturels présents dans le cartilage. »

L’équipe de Stupp a intégré le peptide bioactif et les particules d’acide hyaluronique chimiquement modifiées pour favoriser l’auto-organisation des fibres nanométriques en faisceaux qui imitent l’architecture naturelle du cartilage.

L’objectif était de créer un support attractif pour que les cellules du corps puissent régénérer le tissu cartilagineux. En utilisant des signaux bioactifs dans les fibres nanométriques, le matériau favorise la réparation du cartilage par les cellules qui peuplent le support.

Cliniquement pertinent pour les humains

Pour évaluer l’efficacité du matériau dans la croissance du cartilage, les chercheurs l’ont testé sur des moutons présentant des défauts cartilagineux au niveau de l’articulation du grasset, une articulation complexe des membres postérieurs semblable au genou humain. Ces travaux ont été menés dans le laboratoire de Mark Markel à l’École de médecine vétérinaire de l’Université du Wisconsin-Madison.

Selon Stupp, il était essentiel de réaliser des tests sur un modèle ovin. Tout comme les humains, le cartilage des moutons est tenace et incroyablement difficile à régénérer. Les genoux des moutons et des humains présentent également des similitudes en termes de port de poids, de taille et de charges mécaniques.

« Une étude sur un modèle ovin est plus prédictive de l’efficacité du traitement chez l’homme », a déclaré Stupp. « Chez d’autres animaux plus petits, la régénération du cartilage se produit beaucoup plus facilement. »

Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont injecté cette substance épaisse et pâteuse dans des défauts cartilagineux, où elle s’est transformée en une matrice caoutchouteuse. Non seulement un nouveau cartilage s’est formé pour combler le défaut à mesure que l’échafaudage se dégradait, mais le tissu réparé était de qualité systématiquement supérieure à celle du témoin.

Une solution durable

À l’avenir, Stupp imagine que le nouveau matériau pourrait être appliqué aux articulations lors d’interventions chirurgicales ouvertes ou arthroscopiques. La norme de soins actuelle est la chirurgie par microfractures, au cours de laquelle les chirurgiens créent de minuscules fractures dans l’os sous-jacent pour induire une nouvelle croissance du cartilage.

« Le principal problème avec l’approche par microfractures est qu’elle entraîne souvent la formation de fibrocartilage – le même cartilage que celui de nos oreilles – par opposition au cartilage hyalin, qui est celui dont nous avons besoin pour avoir des articulations fonctionnelles », a déclaré Stupp.

« En régénérant le cartilage hyalin, notre approche devrait être plus résistante à l’usure, résolvant le problème de mauvaise mobilité et de douleurs articulaires à long terme tout en évitant la nécessité d’une reconstruction articulaire avec de grandes pièces de matériel. »