Il n'y a pas eu d'étalon-or sur la façon dont les chirurgiens orthopédistes de la colonne vertébrale favorisent la croissance osseuse chez les patients, mais maintenant, les scientifiques de la Northwestern University ont conçu un nanomatériau bioactif qui stimule si bien la régénération osseuse qu'il pourrait devenir la méthode préférée des chirurgiens.

Bien étudié dans un modèle animal de fusion vertébrale, la méthode pour favoriser une nouvelle croissance osseuse pourrait se traduire facilement chez l'homme, disent les chercheurs, où une population vieillissante mais active aux États-Unis reçoit de plus en plus cette chirurgie pour traiter la douleur due à la dégénérescence discale, traumatismes et autres problèmes de dos. De nombreuses autres procédures pourraient bénéficier du nanomatériau, allant de la réparation des traumatismes osseux au traitement du cancer des os à la croissance osseuse pour les implants dentaires.

« La médecine régénérative peut améliorer la qualité de vie en proposant des approches moins invasives et plus efficaces pour favoriser la croissance osseuse, " dit Samuel I. Stupp, qui a développé le nouveau nanomatériau. "Notre méthode est très flexible et pourrait être adaptée pour la régénération d'autres tissus, y compris musculaire, tendons et cartilages."

Stupp est directeur du Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology de Northwestern et professeur de science et d'ingénierie des matériaux du conseil d'administration, Chimie, Médecine et génie biomédical.

Pour l'étude interdisciplinaire, Stupp a collaboré avec le Dr Wellington K. Hsu, professeur agrégé de chirurgie orthopédique, et Erin L. K. Hsu, professeur assistant de recherche en chirurgie orthopédique, tous deux à la Northwestern University Feinberg School of Medicine. L'équipe mari et femme s'efforce d'améliorer les méthodes de régénération osseuse utilisées en clinique.

Les molécules de sucre à la surface du nanomatériau lui confèrent son pouvoir régénérant. Les chercheurs ont étudié in vivo l'effet du nanomatériau « enrobé de sucre » sur l'activité d'un facteur de croissance utilisé en clinique, appelée protéine morphogénétique osseuse 2 (BMP-2). Ils ont découvert que la quantité de protéines nécessaire à une fusion vertébrale réussie était réduite à un niveau sans précédent :100 fois moins de BMP-2 était nécessaire. C'est une très bonne nouvelle, parce que le facteur de croissance est connu pour provoquer des effets secondaires dangereux lorsqu'il est utilisé dans les quantités nécessaires pour régénérer des os de haute qualité, et c'est cher aussi.

Les résultats ont été publiés aujourd'hui (19 juin) dans la revue Nature Nanotechnologie .

Le nanomatériau biodégradable de Stupp fonctionne comme une matrice extracellulaire artificielle, qui imite avec quoi les cellules du corps interagissent habituellement dans leur environnement. BMP-2 active certains types de cellules souches et leur signale de devenir des cellules osseuses. La matrice Nord-Ouest, qui se compose de minuscules filaments nanométriques, lie la protéine par conception moléculaire de la manière dont les sucres naturels la lient dans notre corps, puis la libère lentement en cas de besoin, au lieu d'une rafale précoce, ce qui peut contribuer aux effets secondaires.

Pour créer les nanostructures, l'équipe de recherche dirigée par Stupp a synthétisé un type spécifique de sucre qui ressemble étroitement à ceux utilisés par la nature pour activer la BMP-2 lorsque la signalisation cellulaire est nécessaire à la croissance osseuse. Des molécules de sucre flexibles se déplaçant rapidement, affichées à la surface des nanostructures, « attrapent » la protéine à un endroit spécifique qui est précisément le même que celui utilisé dans les systèmes biologiques lorsqu'il est temps de déployer le signal. Cela potentialise les signaux de croissance osseuse à un niveau surprenant qui dépasse même les polymères de sucre naturellement présents dans notre corps.

Dans la nature, les polymères de sucre sont appelés polysaccharides sulfatés, qui ont des structures super-complexes impossibles à synthétiser à l'heure actuelle avec des techniques chimiques. Des centaines de protéines dans les systèmes biologiques sont connues pour avoir des domaines spécifiques pour lier ces polymères de sucre afin d'activer des signaux. Ces protéines comprennent celles impliquées dans la croissance des vaisseaux sanguins, recrutement cellulaire et prolifération cellulaire, tous très importants biologiquement dans la régénération des tissus. Par conséquent, l'approche de l'équipe Stupp pourrait être étendue à d'autres cibles régénératives.

La fusion vertébrale est une intervention chirurgicale courante qui relie une vertèbre adjacente à l'aide d'une greffe osseuse et de facteurs de croissance pour favoriser la nouvelle croissance osseuse, qui stabilise la colonne vertébrale. L'os utilisé dans la greffe peut provenir du bassin du patient - une procédure invasive - ou d'une banque d'os.

« Il y a un réel besoin d'un produit cliniquement efficace, moyen sûr et économique de former de l'os, " dit Wellington Hsu, un chirurgien de la colonne vertébrale. « Le succès de ce nanomatériau me rend enthousiaste à l'idée que chaque chirurgien de la colonne vertébrale puisse un jour souscrire à cette méthode de greffe osseuse. À l'heure actuelle, si vous sondez un public de chirurgiens de la colonne vertébrale, vous obtiendrez 15 à 20 réponses différentes sur ce qu'ils utilisent pour la greffe osseuse. Nous devons normaliser le choix et améliorer les résultats pour les patients. »

Dans la partie in vivo de l'étude, le nanomatériau a été délivré à la colonne vertébrale à l'aide d'une éponge de collagène. C'est ainsi que les chirurgiens délivrent actuellement le BMP-2 en clinique pour favoriser la croissance osseuse.

L'équipe de recherche de Northwestern prévoit de demander l'approbation de la Food and Drug Administration pour lancer un essai clinique étudiant le nanomatériau pour la régénération osseuse chez l'homme.

"Nous, chirurgiens, recherchons des vecteurs optimaux pour les facteurs de croissance et les cellules, " Wellington Hsu a déclaré. "Avec ses nombreux sites de liaison, les longs filaments de ce nouveau nanomatériau réussissent mieux que les supports existants à libérer le facteur de croissance lorsque le corps est prêt. Le timing est critique pour le succès de la régénération osseuse."

Dans le nouveau nanomatériau, les sucres sont affichés dans un échafaudage construit à partir de molécules auto-assemblées appelées amphiphiles peptidiques, développé pour la première fois par Stupp il y a 15 ans. Ces molécules synthétiques ont été essentielles dans ses travaux sur la médecine régénérative.

« Nous nous sommes concentrés sur la régénération osseuse pour démontrer la puissance de la nanostructure du sucre pour fournir une grande impulsion de signalisation, " Stupp a déclaré. "Avec de petits changements de conception, la méthode pourrait être utilisée avec d'autres facteurs de croissance pour la régénération de toutes sortes de tissus. Un jour, nous pourrons peut-être éliminer complètement l'utilisation des facteurs de croissance fabriqués par la biotechnologie recombinante et renforcer à la place les facteurs naturels de notre corps. »

L'article s'intitule « Nanostructures de glycopeptides sulfatés pour l'activation de protéines multipotentes ».