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Posté par Michel le Vendredi 20/05/2011 à 00:00
Un nano-biomatériau favorise la régénération des tissus osseux
Associer deux propriétés déterminantes d'un biomatériau pour stimuler l'adhésion et la migration de cellules, étapes clés avant leur différenciation, c'est le défi relevé par deux équipes de recherche de Grenoble, au Laboratoire des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et du génie physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...) (CNRS/Institut polytechnique de Grenoble) et au laboratoire de Dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des systèmes d'adhérence et de différentiation (CNRS/Inserm/Université Joseph Fournier). Cette synergie de compétences en biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.), biomatériaux et biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres vivants...) apporte de nouvelles perspectives, tant pour la régénération tissulaire que pour la biologie cellulaire plus fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.). Ces travaux ont été publiés le 25 mars 2011 dans la revue multidisciplinaire Advanced materials.


Représentation schématique des deux modes de présentation de la protéine ostéo-inductrice BMP-2 (Le BMP-2 est une évolution du BMP-1. Depuis longtemps, les Soviétiques voulaient changer leurs BMP-1 qui avait connu de gros problèmes de vulnérabilité face aux tirs d'armes lourdes (7.50 et...): en solution (à gauche) ou liée à un nano-biomatériau (à droite), dont la rigidité peut être modulée. Les images de cellules musculaires, sensibles à BMP-2 et mises au contact du biomatériau, mettent en évidence l'effet drastique du mode de présentation de BMP-2 sur ces cellules. La présentation de BMP-2 par le film mou augmente significativement l'aire d'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux, dans le but...) des cellules et leur migration.
© LMGP, C. Picart, T. Crouzier.

La famille des protéines morphogéniques osseuses, les BMPs ("Bone morphogenetic proteins), fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) d'intenses recherches, aussi bien fondamentales en biologie cellulaire qu'appliquées en ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) tissulaire. Ces protéines jouent en effet un rôle crucial pour la morphogénèse et la régénération des tissus, notamment dans la différenciation des cellules. En particulier, la protéine BMP-2, ou facteur de croissance ostéo-inducteur, est une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) puissante qui induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) la formation d'os. In vivo (In vivo (en latin : « au sein du vivant ») est une expression latine qualifiant des recherches ou des examens pratiqués sur un organisme vivant, par opposition à in vitro ou ex...), celle-ci interagit fortement avec les constituants de nos tissus et se trouve liée à la matrice extracellulaire, c'est-à-dire l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) de la cellule. Actuellement, cette molécule est déjà utilisée dans des applications cliniques ciblées en chirurgie (La chirurgie est une technique médicale consistant en une intervention physique sur les tissus, notamment par incision et suture. Un médecin spécialisé dans...) orthopédique, en association avec une éponge (Les éponges constituent l’embranchement (vraisemblablement paraphylétique) des Spongiaires et sont des animaux sans système nerveux ni tube digestif. Leur corps n’est formé que par deux couches de cellules (ectoderme et...) de collagène (Le collagène est une glycoprotéine fibreuse dont le rôle peut être comparé à une armature. C’est la protéine la plus abondante de l’organisme. Il est secrété par les cellules des...). Les espoirs thérapeutiques se tournent désormais vers le développement de nouveaux matériaux supports, capables de la retenir et de la délivrer localement.

Récemment, l'équipe de biophysiciens dirigée par Catherine Picart au Laboratoire des matériaux et du génie physique (LMGP), en collaboration avec l'équipe de biologistes de Corinne Albigès-Rizo du laboratoire de Dynamique des systèmes d'adhérence et de différentiation (DySAD), a mis au point (Graphie) un nano-biomatériau, assemblé couche par couche, qui mime le mode de présentation naturel de la protéine BMP-2. Bien que largement acceptée pour les molécules d'adhésion, cette approche qui permet de délivrer la molécule liée à la matrice n'a jusqu'à présent été que très peu explorée pour les facteurs de croissance. En effet, ceux-ci sont généralement présentés "libres" en solution sur des cellules mises en culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :) sur des supports rigides (verre ou plastique).

La rigidité du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) support semble d'autant plus importante à contrôler que plusieurs équipes de biophysiciens et biologistes ont déjà mis en évidence le rôle crucial des propriétés mécaniques du microenvironnement des cellules sur leur destinée. Cependant, à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...), aucune étude ne s'est attardée à comprendre les jeux croisés entre les propriétés mécaniques d'un biomatériau et la présentation d'un facteur de croissance par ce même matériau. Ceci pourrait s'expliquer par la difficulté à élaborer un tel matériau tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en permettant à la protéine de conserver sa bioactivité.

Les deux équipes grenobloises ont notamment mis en évidence deux paramètres déterminants pour l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) de la protéine BMP-2 sur la réponse adhésive et migratoire des cellules: la rigidité du film mince à base de biopolymères constituant ici le support et le mode de présentation de la protéine. Le biomatériau fabriqué par les chercheurs présente le double avantage de permettre un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) à la fois de la présentation spatiale de BMP-2 et de sa délivrance locale au niveau des sites d'adhérence de la cellule. Le nano-biomatériau mou montre alors une capacité très nettement supérieure à stimuler l'adhésion et la migration de cellules musculaires, qui sont sensibles au BMP-2, tandis que les films plus durs (supports en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium...) ou en plastique classiquement utilisés pour la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec...) de cellules) masquent ou déforment la réponse à ce facteur de croissance.

Ces travaux révèlent l'importance des propriétés des matériaux utilisés comme surfaces modèles pour la culture cellulaire et pour l'étude des mécanismes de signalisation biologique. Ils ouvrent ainsi des perspectives prometteuses, tant dans le domaine des matériaux biomimétiques pour la régénération tissulaire que dans le domaine de la biologie cellulaire plus fondamentale, pour mieux comprendre le mécanisme d'action d'un facteur de croissance lié à une matrice.

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Source: CNRS-INSB