Étude sur les échafaudages imprimés en 3D pour la régénération osseuse

Contexte académique

Ces dernières années, l’incidence des traumatismes crâniens et faciaux a considérablement augmenté en raison du développement de l’industrie et des transports, ainsi que de la fréquence des guerres et des conflits. Ces blessures et leurs traitements associés (comme la craniectomie décompressive) peuvent entraîner des défauts osseux crâniens, affectant la récupération des fonctions cérébrales, provoquant des troubles psychologiques et imposant un fardeau socio-économique. Par conséquent, la réussite de la cranioplastie est cruciale. La greffe osseuse autologue est traditionnellement considérée comme la méthode idéale pour la cranioplastie, mais en pratique clinique, l’obtention de cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse autologue (auto-BMSCs) est limitée par des facteurs tels que le vieillissement de la moelle osseuse et les maladies du système hématopoïétique. Ainsi, les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse allogéniques (allo-BMSCs) représentent une alternative potentielle. Cependant, le rôle des allo-BMSCs dans la régénération osseuse reste mal compris. Cette étude vise à explorer la capacité des allo-BMSCs à promouvoir la régénération osseuse dans des échafaudages imprimés en 3D à base de particules osseuses autologues (ABP).

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Yu Huan, Hongqing Chen, Dezhi Zhou et d’autres auteurs, issus de plusieurs institutions, dont le département de neurochirurgie de l’hôpital Xijing de l’Université médicale de l’Air Force à Xi’an, en Chine, et le département de génie mécanique de l’Université Tsinghua. L’article a été publié en ligne le 10 janvier 2025 dans la revue Bio-design and Manufacturing, avec le DOI 10.1631/bdm.2400011.

Processus et résultats de la recherche

1. Conception de l’étude et protocole expérimental

Cette étude est divisée en deux parties : des expériences in vitro et in vivo, visant à valider la capacité des allo-BMSCs à promouvoir la régénération osseuse dans des échafaudages ABP imprimés en 3D.

1.1 Expériences in vitro

• Conception expérimentale : L’équipe de recherche a d’abord utilisé la technologie d’impression 3D pour imprimer simultanément un échafaudage multicouche composé de polycaprolactone (PCL), d’ABP et d’allo-BMSCs. Le PCL fournit un support mécanique, l’ABP libère des facteurs bioactifs, et les allo-BMSCs agissent comme cellules souches pour favoriser l’ostéogenèse.
• Culture cellulaire et différenciation : Les allo-BMSCs ont été cultivées dans des systèmes de culture 2D et 3D, et leur capacité de différenciation ostéogénique a été évaluée par coloration de la phosphatase alcaline (ALP) et analyse par PCR quantitative en temps réel (qPCR).
• Résultats : L’ABP a significativement favorisé la différenciation ostéogénique des allo-BMSCs, avec des effets plus marqués dans le système de culture 3D. L’activité ALP et l’expression des gènes liés à l’ostéogenèse (comme OCN, BMP2 et RUNX2) étaient plus élevées dans le groupe ABP/allo que dans les groupes témoins.

1.2 Expériences in vivo

• Modèle animal : Des chiens Beagle âgés de 18 à 20 mois ont été utilisés comme sujets expérimentaux. Un défaut osseux crânien de 2 cm de diamètre a été créé. Trois mois plus tard, une cranioplastie a été réalisée en utilisant des échafaudages PCL/ABP/allo imprimés en 3D.
• Analyse histologique et imagerie : Trois et neuf mois après l’opération, la régénération osseuse a été évaluée par coloration histologique, immunohistochimie et micro-tomodensitométrie (micro-CT).
• Résultats : Le groupe PCL/ABP/allo a montré un volume de collagène plus élevé et une expression accrue de marqueurs de chondrogenèse (comme ACAN et COL2) trois mois après l’opération. Neuf mois après l’opération, la formation de nouvel os était significativement plus importante dans ce groupe, et les différences dans le nombre (Tb.N) et l’espacement (Tb.Sp) des trabécules osseuses ont confirmé l’effet synergique de l’ABP et des allo-BMSCs.

2. Principales découvertes et mécanismes

• Différenciation et survie des allo-BMSCs : En utilisant la protéine fluorescente verte (GFP) comme marqueur, l’étude a révélé que seule une petite partie des allo-BMSCs implantées survivait et se différenciait en cellules endothéliales vasculaires, chondrocytes et ostéocytes.
• Signalisation paracrine et recrutement des BMSCs natifs : Les allo-BMSCs implantées libèrent le facteur dérivé des cellules stromales 1 (SDF1) par signalisation paracrine, recrutant ainsi les BMSCs natifs dans la zone du défaut pour favoriser la régénération osseuse.
• Évaluation de la réponse immunitaire : L’étude a également montré que l’implantation d’allo-BMSCs n’augmentait pas significativement l’inflammation locale, confirmant leur sécurité et leur fiabilité dans l’ingénierie tissulaire osseuse.

Conclusions et implications

Cette étude a conçu avec succès un nouvel échafaudage imprimé en 3D combinant ABP et allo-BMSCs, favorisant significativement la régénération osseuse. Les résultats montrent que les allo-BMSCs libèrent du SDF1 par signalisation paracrine, recrutant les BMSCs natifs et jouant ainsi un rôle clé dans la réparation des défauts osseux. Ces découvertes fournissent une base théorique pour l’application des allo-BMSCs dans l’ingénierie tissulaire osseuse et ouvrent de nouvelles perspectives pour le traitement clinique des défauts crâniens.

Points forts de l’étude

1. Conception innovante de l’échafaudage : Cette étude est la première à combiner PCL, ABP et allo-BMSCs via l’impression 3D pour créer un échafaudage composite doté d’une résistance mécanique et d’un potentiel de régénération osseuse.
2. Éclaircissement du mécanisme paracrine : L’étude a clarifié le mécanisme moléculaire par lequel les allo-BMSCs recrutent les BMSCs natifs via la libération de SDF1, offrant une nouvelle perspective pour la recherche sur la régénération osseuse.
3. Potentiel clinique : Les résultats fournissent des références importantes pour l’application clinique des allo-BMSCs dans la réparation des défauts osseux, en particulier lorsque l’obtention d’auto-BMSCs est limitée.

Autres informations utiles

• Directions futures de recherche : L’équipe de recherche suggère d’explorer davantage les composants les plus efficaces de l’ABP pour la régénération osseuse et de valider le potentiel des allo-BMSCs dans d’autres échafaudages bioactifs.
• Limites techniques : Cette étude n’a pas directement comparé les effets ostéogéniques des auto-BMSCs et des allo-BMSCs. Des expériences comparatives futures pourraient valider davantage la valeur de remplacement des allo-BMSCs.

Grâce à cette étude, les scientifiques ont approfondi leur compréhension des mécanismes d’action des allo-BMSCs et ont fourni de nouveaux outils et méthodes pour l’ingénierie tissulaire osseuse et les traitements cliniques.