Plateforme de caractérisation des Interfaces Biomatériaux - Cellules dans le contexte de l'ingénierie tissulaire osseuse – CharaBioC

Des biocéramiques phospho-calciques ont été produites en faisant varier un à un les paramètres physico-chimique (composition chimique, porosité par exemples) pour réaliser des comparaisons de réponses biologiques et identifier l’impact de chacun des variations de ces paramètres. Des cultures cellulaires et des modèles biologiques pertinents pour l’étude de l’interface vivant–matériau, tenant compte des caractéristiques du tissu osseux et des fonctions cellulaires nécessaires à la régénération osseuse, ont été développés pour surmonter deux verrous majeurs : 1) les limites de la culture cellulaire 2D statique (standard) 2) la complexité des interactions de cellules de types différents lors de la régénération osseuse. Ainsi, un système de culture cellulaire en 3D sous flux mimant les contraintes mécaniques inhérentes à la circulation des fluides biologiques dans l’organisme et ayant une influence notable sur la physiologie cellulaire a été mis en place. Des modèles de co-culture cellulaires avec des cellules productrices d’os, des cellules impliquées dans la vascularisation et des cellules du système immunitaire associées à l’initiation du processus de réparation osseuse sont en cours de développement.

Outre les résultats scientifiques obtenus et publiés, ce projet a permis d’acquérir une autonomie pour la caractérisation des biocéramiques élaborées au laboratoire. Une activité de recherche en biologie cellulaire et ingénierie des tissus osseux a été pleinement intégrée aux activités de l’équipe renforçant sa pluridisciplinarité. Cette thématique a été intégrée dans le contenu pédagogique de formations scientifiques de l’Université de Limoges. La conduite du projet a permis un taux de succès important dans plusieurs appels à projets et des collaborations internationales ont été initiées ou renforcées.

Une des suites directes de ce travail est le maintien de l'activité d'évaluation des propriétés biologique et de l'interface vivant-biocéramiques au laboratoire. 4 axes de recherche majeurs découlent de ce projet et sont actuellement en cours à travers la réalisation de différents projets : i) L’évaluation des propriétés biologiques de biomatériaux à base de céramiques phospho-calciques optimisées pour des applications pour la médecine régénératrice osseuse. ii) La compréhension de l’interface vivant-matériau afin d’identifier des leviers d’action pertinents sur lesquels agir lors de la conception de ces biomatériaux pour en accroître les propriétés applicatives. iii) Le développement de modèles biologiques et de méthodes biophysiques et chimiques complémentaires aux méthodes standard de biologie pour acquérir des connaissances approfondies sur l’interface biocéramique/cellules. iv) Le développement de matériaux hybrides vivant/biocéramiques pour l’ingénierie tissulaire osseuse.

Une revue sur la démarche suivie (Magnaudeix, 2022) et des résultats sur l’influence de la microarchitecture de biocéramiques sur l’angiogenèse ont été publiés (Usseglio et al., 2022). Un article en lien avec des biocéramiques dopées au cuivre et une revue sont en préparation. Les travaux menés dans le projet sont détaillés dans deux thèses (A. Brunel, 2023, J. Usseglio, 2024, Université de Limoges). Ces travaux ont aussi été diffusés en congrès et des actions de vulgarisation sont menées notamment en collèges et lycées (conférences, Scientibus).

Les céramiques phosphocalciques (CPC), dont celles à base d’hydroxyapatite (HA) sont utilisées comme substituts osseux depuis plus de 30 ans. Leur composition chimique proche de celle du minéral osseux leur confère de bonnes propriétés biologiques. Cependant, elles ne sont pas suffisantes pour répondre à l’ensemble des besoins en médecine régénérative osseuse, comme dans le cas de larges pertes de substance. L’amélioration de leurs performances biologiques est donc nécessaire pour en étendre le champ d’applications. Deux approches sont majoritairement suivies pour les améliorer: 1) le dopage par des éléments chimiques destinés à stimuler les activités cellulaires associées à la réparation osseuse. 2) La modulation de l’architecture des CPC qui vise à optimiser la réponse des cellules à l’interface. Cependant, la variabilité des méthodologies de production de matériaux et de leurs caractérisations, tant sur le plan physico-chimique que biologique, se traduit par un manque de consensus entre les résultats de la littérature. Cela met en évidence la nécessité de mettre en place des méthodes cohérentes de caractérisation de l’interface matériau-vivant et de modèles d’évaluation biologique in vitro pertinents. Dans ce contexte, le projet CharaBioC est dédié à la mise en place d’un dispositif permettant la caractérisation in vitro des propriétés biologiques de CPC poreuses pour des applications en médecine régénérative osseuse. Il sera intégré au cœur d’une chaîne de procédés d’élaboration de matériaux céramiques, cœur de métier historique et reconnu du laboratoire IRCER (Université de Limoges, CNRS) dans lequel il sera appliqué. Il y apportera de nouvelles compétences dans le domaine des sciences du vivant pour une meilleure connaissance des interactions matériau/vivant et le développement de biomatériaux innovants permettant de mieux répondre aux besoins de santé publique.
Cette plateforme d’analyses biologiques conduira à l’association séquentielle des procédés d’élaboration avec les propriétés physico-chimiques de CPC architecturées tridimensionnelles (e.g. composition chimique, porosité, rugosité…) et leurs performances biologiques. Des CPC micro-macroporeuses à base d’HA stœchiométrique ou substituée par des éléments chimiques d’intérêt (CO3, Si, Cu), pleinement caractérisées sur le plan physico-chimique, seront produites. Les variables seront modifiées pas à pas et associées aux modifications des caractéristiques des céramiques finales. Leurs propriétés de dissolution en milieu biologique seront d’abord évaluées en conditions dynamiques à travers l’identification et le dosage des espèces chimiques libérées au cours du temps. Les effets de ces produits de dissolution seront testés sur différentes lignées cellulaires impliquées dans le déclenchement du processus de réparation via le recrutement de progéniteurs (cellules de l’immunité innée), la vascularisation (cellules endothéliales), processus indispensable, et la formation d’os (cellules osseuses). Dans un second temps, l’interface matériau-vivant sera étudiée en détail. Après avoir validé la biocompatibilité des matériaux testés, la prolifération, l’activation et/ou la différenciation des cellules seront étudiées en cultures tridimensionnelles en bioréacteur en flux par perfusion. L’impact des biomatériaux sur la communication cellulaire sera également pris en compte à travers l’analyse des facteurs solubles sécrétés. Cela conduira, en fin de projet, à la mise en place d’un modèle cellulaire 3D de microenvironnement osseux fiable et robuste, sur la base de co-cultures de cellules des trois systèmes physiologiques précités. L'utilisation de méthodes d’analyses statistiques multiparamétriques aidera à identifier les liens directs entre les paramètres testés afin de relier les données biologiques et physico-chimiques de façon rationnelle et d'identifier les leviers applicables au niveau des procédés d’élaboration pour accroître les performances applicatives des biomatériaux.