UMR CNRS 6226

Groupe Biomatériaux en site osseux

spheroide microtissu
  1. Ingénierie tissulaire osseuse
  2. Le mode cellulaire

Le groupe Biomatériaux en site osseux fait partie intégrante des équipes "Verres & Céramiques" et CM/INSA de l’UMR CNRS 6226 de l'Institut des Sciences Chimiques de Rennes - ISCR. Il collabore régulièrement avec d'autres équipes de l'Institut.
Il se compose de :

  • Enseignants-Chercheurs :
    Sylvie JEANNE (P.U.-P.H) - Responsable
    Guy CATHELINEAU (P.U.-P.H.)
    Dominique CHAUVEL-LEBRET (M.C.U.-P.H. H.D.R.)
    Yvan BEDOUIN (M.C.U.-P.H.)
    Justine LE CLERC (M.C.U.-P.H.)
    Matthieu PERARD (M.C.U.-P.H.)
    Fleur MEARY (M.C.U.-P.H.)
    Laurence BUNETEL (M.C.U.)
     
    Personnel :
    Pascal PELLEN-MUSSI (Ingénieur de Recherche)
    Sylvie TRICOT-DOLEUX (Assistant-Ingénieur)
    Agnès NOVELLA (Technicien)
    Ludivine MALHERBE (Adjoint Technique)
     
    Doctorants :
    Yvan BEDOUIN
    Justine LE CLERC
spheroide témoin
spheroide en présence d'un biomatériau

Ingénierie tissulaire osseuse

L’axe de recherche de l’équipe s’inscrit dans la thématique de "l’ingénierie tissulaire osseuse" qui associe des matériaux, des cellules et des agents bioactifs.

Les biomatériaux : l’équipe s’intéresse aux substituts osseux, c’est-à-dire aux matériaux qui remplacent temporairement ou définitivement une lacune ou un déficit osseux.

  • Substitution osseuse temporaire : L’attention des chimistes et biologistes de l’équipe est focalisée sur les matrices vitreuses. Le chef de file de ces bioverres est le 45S5. L’équipe a mis au point des verres de différentes compositions permettant d’obtenir une meilleure bioactivité et/ou une résorbabilité plus rapide. L’intérêt des bioverres réside :dans l’interposition d’une couche d’hydroxyapatite carbonatée, entre la matrice vitreuse  et les tissus péri-implantaires permettant l’établissement d’une forte interaction cellule/matériau, le relargage de produits de dissolution qui ont un effet biologique à distance (la prolifération ou la différenciation cellulaires). On leur confère aussi des propriétés antibactériennes.
  • Substitution osseuse définitive : Ce sont généralement des prothèses métalliques. En collaboration avec l’équipe métallurgie (INSA) de l’UMR 6226, nous étudions les caractéristiques biologiques d’un nouvel alliage de Titane, le GUM titane dont les propriétés d’élasticité se rapprochent de celles de l’os ce qui lui confère un intérêt médical certain. L’équipe s’intéresse à la nitruration de cet alliage pour s’opposer à l’usure de la prothèse, diminuer le relargage de produits de dissolution. Cette couche de nitruration permettant un effet bactéricide de surcroit.

Le titane étant bio-inerte, la fonctionnalisation de la couche nitrurée sera ensuite étudiée. Elle vise à rendre la surface du métal plus biocompatible », notamment en greffant des groupements chimiques et/ou des agents bioactifs, afin de favoriser l’adsorption protéique, l’adhérence voire la différenciation cellulaires.

Les agents bioactifs : leur rôle est d’améliorer les propriétés du substitut osseux natif. Les propriétés cardinales d'un subsitut osseux sont :

  • l’ostéo-intégration : établissement d’une liaison forte avec le tissu osseux péri-implantaire
  • l’ostéo-conduction : est la propriété de la matrice à guider la réparation osseuse
  • l’ostéo-induction : c’est la propriété du substitut osseux à induire la formation de néo-os. Très peu de biomatériaux présentent cette caractéristique.
Le chitosan issu de la chitine présente des propriétés très intéressantes comme agent bioactif. Cette molécule possède un effet anti-infectieux, il est très bien toléré du point de vue immunitaire, favorise l’adhérence et la prolifération cellulaires. L’équipe a montré que l’association du chitosan au bioverre permettait d’améliorer sa biocompatibilité in vitro et de le rendre ostéo-inducteur in vivo.
 

Les biphosphonates sont connus pour inhiber l’action des ostéoclastes ce qui expliquent leur usage dans le traitement des pathologies osseuses…etc. Dans certains cas, ils peuvent donner lieu à de graves effets secondaires connus sous le terme "d’ostéonécrose maxillaire". Récemment, il a été démontré que les biphosphonates pouvaient agir sur les ostéoblastes en favorisant leur prolifération ou leur différenciation.Nous avons démontré, par l’utilisation de cultures tridimensionnelles, que l’effet des biphosphonates était dose-dépendant. A faible dose, ils permettaient la prolifération cellulaire tandis qu’à forte dose, ils induisaient l’apoptose des cellules osseuses.Nous explorons actuellement les effets de l’addition de 2 types de biphosphonates à une matrice vitreuse (3D).Nous portons, actuellement, notre attention sur la cinétique de relargage de cette drogue (tributaire de la porosité du scaffold) et l’induction d’effets biologiques en terme de prolifération, différenciation et cycle cellulaires.Du fait que les biphosphonates soient libérés localement et à des quantités très inférieures à la dose thérapeutique systémique, permet de s’affranchir de leurs graves effets secondaires (ostéonécrose maxillaire).Le pouvoir anti-inflammatoire et antibactérien de certains métaux est bien connu. Nous avons démontré que l’adjonction au bioverre de Zinc, Cuivre et Argent permettaient d’obtenir un effet anti-inflammatoire sans altérer de façon significative la biocompatibilité du verre bioactif.

Les cellules :
Nos évaluations biologiques in vitro font appel à des lignées établies de cellules impliquées dans la réparation osseuse (cellules endothéliales et osseuses) et l’inflammation (macrophages).
Nous utilisons aussi des primocultures de cellules pulpaires pour lesquels nous avons une autorisation ministérielle. Plus récemment nous nous sommes intéressés aux cellules souches mésenchymateuses d’origine dentaire.

Le mode cellulaire

Nous avons adapté, pour nos études de biocompatibilité, un modèle de culture tridimensionnelle : les sphéroïdes. Nous avons démontré que cet outil nous permettait d’obtenir des résultats complémentaires de ceux des cultures monocouches, qu’il était particulièrement pertinent dans l’étude de la différenciation ostéoblastique induite par les biomatériaux.
Grâce à ce modèle, nous avons étudié une mort « originale » des fibroblastes pulpaires : la nemosis. Cette nécrose programmée s’accompagne d’une réaction inflammatoire intense sans aucune adjonction extérieure au modèle. Nous élaborons une stratégie pour que cette réaction némotique puisse être utilisée pour évaluer, quantifier l’effet anti-inflammatoire de traitement ou de matériaux utilisés en art dentaire.
Les nanoparticules prennent, d’une part, toute leur place dans le panel des biomatériaux. D’autre part, les produits de dissolution et de corrosion, sont très souvent à l’échelle nanoparticulaire. Dans ce contexte, les sphéroïdes ont permis une approche différente de la nanotoxicologie et fait l’objet d’un travail collaboratif (ANR Clustop).
Au contact des biomatériaux, les cellules péri-implantaires subissent un stress mécanique qui influe sur leur physiologie. Nous avons élaboré un modèle, innovant, faisant appel aux sphéroïdes,  qui nous permettra d’étudier l’incidence de la mécanotransduction sur le devenir du substitut osseux.