Hydrogel poreux sous perfusion : modélisation et optimisation d’un modèle in vitro de reconstruction de défaut osseux – HydrOs

Pour reconstruire un os défectueux, il ne suffit pas de créer un simple support. Il faut reproduire un environnement capable d’accueillir des cellules vivantes, de les nourrir, de les guider et de les convaincre de se transformer en véritable tissu osseux. C’est le cœur de notre approche : associer un matériau poreux, proche de l’os naturel, à des cellules souches et à des conditions de culture optimales.

Nous utilisons pour cela une matrice constituée d’un hydrogel de polysaccharides enrichi en hydroxyapatite (HAp). Ce minéral est naturellement présent dans nos os et dents. Dans nos constructions, il remplit un double rôle crucial : d’une part, il mime la phase minérale de l’os, apportant solidité et structure au matériau ; d’autre part, il envoie un signal aux cellules pour les inciter à se transformer en ostéoblastes, les cellules responsables de la formation osseuse.

L’une des clés du succès repose sur la structure poreuse de la matrice : il faut que les pores soient assez grands pour permettre aux cellules de s’y loger, s’y multiplier et recevoir les nutriments, mais pas trop pour conserver une bonne solidité. Pour maîtriser cette structure, nous jouons sur plusieurs paramètres lors de la fabrication, comme la concentration en hydroxyapatite ou l’épaisseur du matériau. Le procédé utilisé, appelé lyophilisation, est finement contrôlé et suivi en temps réel par microtomographie X, afin d’optimiser la taille et la répartition des pores. Nous analysons ensuite la matrice à l’état hydraté grâce à la tomographie de cohérence optique (OCT).

En parallèle, nous étudions les propriétés mécaniques du matériau pour nous assurer qu’il puisse résister aux contraintes du corps humain tout en restant compatible avec les cellules. Nous mesurons aussi la diffusion de l’oxygène et du glucose, deux éléments vitaux pour les cellules, afin de garantir un environnement propice à leur survie et à leur différenciation.

Ces matrices sont ensuite ensemencées avec des cellules souches mésenchymateuses (capables de devenir de l"os) et des cellules endothéliales (qui forment les vaisseaux sanguins). Le tout est cultivé dans un bioréacteur à perfusion, un dispositif qui reproduit les conditions dynamiques du corps : l’oxygène, les nutriments et les signaux mécaniques sont distribués en continu pour stimuler la formation osseuse et vasculaire.

Enfin, pour vérifier l’efficacité de ces substituts, nous les implantons dans des modèles animaux présentant des pertes osseuses importantes. Ces expérimentations in vivo nous permettent d’évaluer la capacité du système à former de l’os neuf, bien vascularisé, et de s’intégrer durablement dans le tissu existant.

Cette approche combinée, matériau intelligent + cellules vivantes + environnement contrôlé, ouvre la voie à la production de véritables « pièces de rechange » pour réparer les os abîmés ou manquants, avec un fort potentiel de transfert vers la clinique humaine.

Les travaux menés ont permis de franchir une étape importante dans la création de "pièces de rechange" osseuses vivantes. Dans notre système, des cellules souches et des cellules vasculaires ont été cultivées dans un matériau poreux conçu pour mimer l’environnement naturel de l’os. Résultat : ces cellules s’organisent spontanément en petits amas sphériques appelés sphéroïdes, un mode d’organisation très prometteur pour régénérer les tissus.

Ce comportement a été observé grâce à des techniques d’imagerie avancées (microtomographie, microscopie confocale, tomographie optique), qui ont montré que la structure poreuse interconnectée de la matrice permet aux cellules de s’infiltrer, de se regrouper et de former ces sphéroïdes. La forme des pores joue un rôle clé : elle détermine directement la taille des amas cellulaires. En ajustant cette architecture, on peut donc influencer l’organisation cellulaire et, par conséquent, leur comportement.

L’ajout d’hydroxyapatite, un composant naturel de l’os dans la matrice s’est révélé particulièrement utile. Il renforce la structure du matériau et envoie aux cellules un signal les incitant à se transformer en cellules osseuses. Il améliore aussi la solidité du matériau tout en gardant une bonne porosité. Grâce à une approche combinant expérimentation et modélisation, nous avons pu simuler le transport de nutriments et d’oxygène à l’intérieur de la matrice. Résultat : les conditions autour des cellules restent favorables à leur survie et à leur activité, même dans les zones les plus profondes.

Nous avons ensuite mis au point un système de culture dynamique dans un bioréacteur, dans lequel le matériau cellulaire est alimenté en continu en nutriments et oxygène. Cette technique, inspirée du fonctionnement naturel du corps humain, a permis d’améliorer la viabilité cellulaire, la prolifération et la différenciation des cellules, notamment dans les sphéroïdes contenant à la fois des cellules souches osseuses et des cellules vasculaires. Ces sphéroïdes ont montré une forte capacité à produire de l’os et des vaisseaux sanguins.

Deux types de cellules souches humaines ont été comparés : celles issues de la moelle osseuse (BMSCs) et celles issues de dents de lait (SHEDs). Les deux ont bien survécu et formé un réseau vasculaire, mais seules les BMSCs ont généré une formation osseuse significative.

Enfin, pour valider le potentiel thérapeutique de notre approche, les constructions cellulaires ont été implantées dans des os endommagés chez le rat. Résultat : une régénération osseuse progressive et une meilleure vascularisation ont été observées, en particulier lorsque les cellules avaient été préalablement cultivées dans des conditions dynamiques. Ces résultats confirment l’importance de l’environnement physique sur le destin des cellules et démontrent que notre méthode permet de créer un tissu vivant capable de réparer des os de grande taille.

Ce projet a permis de poser les bases d’une nouvelle approche pour concevoir des « pièces de rechange » vivantes capables de réparer les os endommagés. En combinant expériences en laboratoire et modélisation numérique, les chercheurs ont pu mieux comprendre comment les cellules interagissent entre elles et avec leur environnement au sein d’un matériau bio-inspiré, dans un dispositif simulant les conditions du corps humain. Cette démarche innovante, qui mêle biologie, physique et ingénierie, pourrait transformer la manière dont on conçoit les traitements de réparation osseuse.

Mais l’ambition va bien au-delà de l’os. La méthode développée est adaptable à d'autres types de tissus (comme le cartilage, le foie ou encore le muscle), à d’autres types de cellules et à une large variété de biomatériaux. En ajustant finement les caractéristiques des matériaux (comme la porosité ou la rigidité) et les conditions de culture (débit, oxygène, etc.), il devient possible d’orienter les cellules pour qu’elles régénèrent le tissu souhaité. C’est un pas de plus vers une médecine régénérative personnalisée.

Dans les prochaines étapes, le défi sera de suivre précisément la manière dont ces matériaux se dégradent et sont remplacés par du tissu vivant une fois implantés dans le corps. Des outils d’imagerie avancés, comme la microtomographie (µCT) ou le marquage fluorescent, permettront de visualiser ce processus en temps réel et d’adapter les matériaux en conséquence.

Au-delà du domaine médical, cette technologie présente aussi un fort potentiel pour d'autres secteurs. Par exemple, dans le développement de nouveaux médicaments, elle pourrait permettre de créer des modèles 3D de tissus humains bien plus fiables que les cultures traditionnelles. Cela réduirait le recours aux tests sur animaux, tout en accélérant et sécurisant les phases de test. Dans le secteur agroalimentaire, des procédés similaires pourraient servir à cultiver des tissus pour la production de viande in vitro ou pour améliorer des bioprocédés existants.

En résumé, les résultats de ce projet ne se limitent pas à la reconstruction osseuse. Ils ouvrent la voie à une nouvelle génération de technologies de culture cellulaire, plus proches du vivant, plus précises et plus efficaces. En s’appuyant sur des outils de modélisation et d’imagerie de pointe, cette approche transdisciplinaire pourrait révolutionner à la fois la recherche biomédicale, la médecine régénérative et bien d’autres domaines industriels.

L'os est un tissu vivant soumis à divers stimuli. Les cellules reçoivent des signaux mécaniques, chimiques ou biophysiques à travers leur environnement. L'information se traduit par une capacité d'adaptation à toute modification environnementale. Dans le contexte de l'ingénierie tissulaire osseuse (ITO), cette propriété peut être exploitée pour produire des substituts ostéogéniques à partir de cellules souches mésenchymateuses (CSM) ensemencées dans des matériaux poreux cultivés dans des conditions dynamiques. Ce matériau poreux est nécessaire pour accueillir les cellules et guider leur croissance et leur régénération tissulaire dans un environnement 3D. Pour surmonter les limitations du transport des nutriments et pour soumettre les cellules à des contraintes mécaniques favorables, des bioréacteurs sont utilisés. La production de substituts ostéogéniques en bioréacteur repose sur une approche rudimentaire par rapport à celle développée en génie des procédés, qui reposent sur la modélisation et intègrent les aspects multi-échelles et multi-physiques. Il apparaît nécessaire de rationaliser la conduite des bioréacteurs. L'originalité de notre approche réside dans le développement de méthodes de contrôle et de quantification des transferts de masse et de mouvements au sein d'un bioréacteur. Des simulations numériques fournissant les champs de contraintes et de concentration en nutriments subis par les cellules prolongeront systématiquement les expériences.

A l'interface de la physique, de la mécanique et de la biologie, HydrOs vise à produire des substituts osseux ostéogéniques vascularisés à partir d'une coculture de MSC et de cellules endothéliales (CE) ensemencées dans des hydrogels de polysaccharides supplémentés ou non par des particules d'hydroxyapatite (HAp). Les cellules seront cultivées dans notre bioréacteur à perfusion caractérisé expérimentalement et numériquement. Les connaissances actuelles concernant la fabrication des matériaux ostéogènes, l'influence de sa structuration interne sur la formation de structures biologiques pertinentes, la compréhension de l'influence du transport des espèces et des mécanismes de dynamique ne permettent actuellement pas d'envisager une translation du processus à la clinique. Notre ambition est de compléter ce champ de connaissances.

Un paramètre clé est la compréhension et le contrôle de la structuration de la porosité de l’hydrogel pendant sa fabrication. Dans WP1, les propriétés morphologiques, mécaniques et diffusionnelles de l'hydrogel seront caractérisées. Nous étudierons comment l'environnement mécanique et les gradients de nutriments influencent le devenir des MSC. Dans WP2, nous développerons un jumeau numérique du bioréacteur qui fournira le champ de concentration en nutriments et le champ de contraintes au sein du bioréacteur afin de connaître les conditions locales vues par les cellules. Pour cela, nous devons modéliser le comportement mécanique des hydrogels, décrire les interactions entre les hydrogels déformables et l'hydrodynamique au sein du bioréacteur et modéliser le transport des nutriments dans le bioréacteur. Dans WP3, un bioréacteur produira des substituts à partir d'hydrogel de porosité et de propriétés mécaniques contrôlées (développées en WP1) ensemencées avec une co-culture de MSC et d'EC puis cultivées dans des conditions optimisées fournies par le jumeau numérique développé en WP2. Les marqueurs de différenciation seront quantifiés et, grâce à la simulation numérique, corrélés avec l'hydrodynamique, le champ de contraintes et les transferts de masse au sein du bioréacteur. Le potentiel du bioréacteur à améliorer la formation d'un réseau vasculaire dans les sphéroïdes sera évalué (WP3). Dans le WP4, le potentiel des substituts ostéogènes produits dans le bioréacteur et l'évaluation du bénéfice de la supplémentation des hydrogels en HAp pour favoriser l'ostéoinduction seront évalués in vivo.