La bio-ingénierie, la branche médico-technique qui exploite le biomimétisme et que l’on considérait trop complexe à reproduire il y a seulement quelques décennies, promet d’être une véritable révolution pour la médecine. S’appliquant à quasiment tous les tissus, ce domaine pluridisciplinaire offre beaucoup d’espoir en médecine réparatrice. Cependant, nombre de ses aspects ne sont pas encore tout à fait maîtrisés et représentent des défis majeurs pour les scientifiques. Dans l’espoir de surmonter l’un de ces défis, une nouvelle étude révèle que les ondes sonores à haute fréquence peuvent différencier des cellules souches en cellules osseuses. Plus précise, plus simple à exécuter (par rapport aux méthodes actuelles) et surtout peu coûteuse, la technique pourrait être une aubaine pour la régénération osseuse.
Publiée dans la revue Small et relayée par le Wiley Online Library, l’étude a été menée par des chercheurs du Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT University). Les chercheurs ont utilisé et testé différentes fréquences d’ondes sonores pour faire évoluer des cellules souches en cellules osseuses fonctionnelles. Fruit de plus d’une décennie de travail, l’alternative est innovante et pourrait peut-être un jour aider des patients à récupérer de la masse osseuse perdue à cause d’un cancer ou d’une maladie dégénérative.
En principe, la plupart des tissus de notre organisme possèdent à la base une capacité naturelle de régénération. L’exemple le plus simple est la cicatrisation d’une blessure ou la résorption d’une fracture. Et en ingénierie tissulaire, on exploite cette faculté innée en la stimulant de diverses façons.
Dans le cas des os particulièrement, notre squelette est soumis à un processus de renouvellement et d’autoréparation continuel. Ce mécanisme s’effectue tout au long de notre vie, afin de s’adapter aux sollicitations mécaniques qu’on impose chaque jour à nos os. Cette incroyable capacité est rendue possible grâce aux ostéocytes, entourés d’une matrice extracellulaire minéralisée et constamment renouvelée grâce à l’induction de divers stimuli. Ces stimuli peuvent être hormonaux mais aussi mécaniques. Les chirurgiens orthopédistes recommandent même des exercices postopératoires adaptés pour stimuler les ostéocytes et accélérer la résorption des fractures.
Toutefois, cette faculté innée a des limites, et dans certains cas, il arrive que l’os n’arrive pas à se régénérer tout seul. Le processus de réparation naturel peut être notamment entravé par des problèmes mécaniques ou biologiques (les gangrènes nécessitant des amputations par exemple). Par ailleurs, certaines maladies (comme la pseudoarthrose) ou des interventions chirurgicales (ablation de tumeurs, de kystes, de foyers infectieux) peuvent générer d’importantes pertes de matière que l’ostéogenèse n’arrivera pas à combler complètement. La régénération de l’os doit alors être assistée. C’est là que doivent intervenir les traitements par bio-ingénierie.
Dans la nouvelle étude, cette science innovante et polyvalente tente de surmonter l’un des défis clés de la bio-orthopédie. Il s’agit en effet de pouvoir satisfaire le besoin de génération de grandes quantités de cellules osseuses fonctionnelles. Il faut aussi que les cellules puissent prospérer et se diviser une fois implantées dans la zone cible.
Rapide, précis et efficace
Aujourd’hui, même si les cellules souches sont multipotentes et peuvent se différencier en plusieurs types de cellules différents, leur production en masse en laboratoire reste très compliquée et coûteuse, ce qui rend ce type de traitement incertain et l’empêche d’être à la portée de toutes les bourses.
Pour tenter de pallier ce problème, « notre appareil est bon marché et simple à utiliser, il pourrait donc facilement être mis à l’échelle pour traiter un grand nombre de cellules simultanément, ce qui est vital pour une ingénierie tissulaire efficace », assure dans communiqué le Dr Amy Gelmi du RMIT University et co-auteure principale de l’étude.
De plus, les derniers essais cliniques de réparation osseuse utilisaient des cellules souches extraites de la moelle osseuse du patient. Une procédure très douloureuse, alors qu’il n’est même pas sûr que ces cellules souches s’implantent et se différencient correctement une fois introduites dans la zone à traiter. Tandis que le traitement des chercheurs australiens a été efficace sur des cellules souches dérivées de graisse, qui sont beaucoup moins douloureuses à extraire pour le patient.
Comme mentionné plus haut, les différenciations cellulaires peuvent être induites par des stimuli mécaniques. Pour parvenir à leurs résultats, les chercheurs ont alors effectué des mécanostimulations à haute fréquence (de l’ordre du MHz) sur des cellules souches humaines issues de diverses sources. Résultat : 10 min de stimulation à 10 MHz par jour et pendant 5 jours, a permis de déclencher la différenciation des cellules souches mésenchymateuses en lignées ostéoblastiques. Ces stimuli ont été induits précocement, sont de courte durée et génèrent une différenciation ostéoblastique à long terme.
Ainsi, « les ondes sonores réduisent de plusieurs jours le temps de traitement habituellement nécessaire, pour que les cellules souches commencent à se transformer en cellules osseuses », affirme Gelmi. Par ailleurs, les ondes sonores à haute fréquence utilisées dans le traitement des cellules souches ont été générées par un dispositif à micropuce à faible coût développé par le RMIT. Il peut également être utilisé pour manipuler avec précision des cellules, des fluides ou des matériaux.
« Nous pouvons utiliser les ondes sonores pour appliquer juste la bonne quantité de pression aux bons endroits sur les cellules souches, pour déclencher le processus de changement », explique Leslie Yeo, co-auteur principal de l’étude et professeur émérite en génie chimique au RMIT.