l'expertise pratique en rhumatologie

De l’ingénierie tissulaire du cartilage articulaire aux traitements du futur; objectif : cibler les derniers mécanismes identifiés

Résumé

L’arthrose est une maladie articulaire dégénérative des articulations qui, malgré de récents progrès dans la compréhension de sa pathogénie, n’a pas encore de traitement curatif. Le cartilage articulaire, principal tissu atteint par l’arthrose avec l’os sous-chondral, est un tissu non vascularisé et non innervé, ce qui lui confère, en cas de lésions, de faibles capacités de réparations spontanées. À l’heure actuelle et malgré de nombreuses données précliniques, aucune thérapie n’est capable de réparer de façon durable le cartilage articulaire lésé. Afin de répondre à ce besoin clinique, des stratégies d’ingénierie tissulaire (IT) associant des cellules, des biomatériaux et des agents bioactifs ont fait l’objet de nombreuses études. Ainsi, l’IT du cartilage articulaire a récemment évolué depuis le simple traitement des lésions focales du cartilage articulaire vers le développement de stratégies plus ambitieuses destinées au traitement de l’arthrose, notamment post-traumatique. Dans cette revue, nous nous focaliserons tout d’abord sur les différents aspects de l’ingénierie tissulaire appliquée au cartilage articulaire. Nous discuterons des cellules, des biomatériaux et des facteurs biologiques et environnementaux utilisés dans le développement de ce type de stratégies thérapeutiques. Puis nous passerons en revue le développement de stratégies d’ingénierie tissulaire ciblant certains nouveaux mécanismes pathogéniques de l’arthrose, récemment identifiés.

Abstract : From tissue engineering of articular cartilage to treatments of the future.
Osteoarthritis is a degenerative joint disease that, despite recent advances in the understanding of its pathogenesis, still needs to be cured. Articular cartilage, the main tissue affected by osteoarthritis with subchondral bone, is a non-vascularized and non-innervated tissue, which, in the case of lesions, has low spontaneous repair capacities. At present, despite numerous preclinical data, no therapy is capable of sustainably repairing injured articular cartilage. To address this clinical need, tissue engineering strategies combining cells, biomaterials and bioactive agents have been the subject of numerous studies. In this review, we first focus on the different aspects of tissue engineering applied to articular cartilage. We will discuss the cells, biomaterials and the biological and environmental factors used in the development of this therapeutic strategy. Finally, we will review the development of tissue engineering strategies targeting newly identified pathogenic mechanisms of osteoarthritis.

Suite à des traumatismes ou au cours du vieillissement, le cartilage articulaire, tissu conjonctif de soutien, peut subir de nombreuses altérations qui conduisent à une dégradation de sa matrice extracellulaire (MEC). En raison de son absence de vascularisation et de la faible prolifération des chondrocytes, le cartilage articulaire possède de très faibles capacités de réparation spontanées. Les lésions traumatiques du cartilage articulaire et les processus cataboliques qui en découlent sont donc irréversibles et conduisent à long terme au développement de l’arthrose (OA).

Introduction

L’arthrose, maladie la plus fréquente des articulations mobiles, est une maladie incurable et douloureuse. Elle affecte principalement le genou, la hanche et les mains. Aujourd’hui, l’arthrose touche environ 15 % de la population mondiale de plus de 60 ans et est une des maladies les plus invalidantes. L’OA est également la première cause de consultation médicale après les maladies cardiovasculaires (1). Longtemps considérée comme une conséquence du vieillissement inéluctable des tissus ostéo-articulaires (2), il est maintenant admis que l’arthrose revêt différents phéno-types cliniques, telles que l’arthrose post-traumatique, métabolique, liée à l’âge ou génétique (3). Cette maladie multifactorielle et hétérogène apparaît donc beaucoup plus complexe qu’une simple dégénérescence du cartilage. Elle se caractérise principalement par la dégradation du cartilage articulaire, une inflammation de la synoviale et une sclérose de l’os sous-chondral associée à la formation d’ostéophytes. Récemment, afin de conceptualiser plus précisément l’OA et d’intégrer les récents progrès réalisés dans la compréhension de sa physiopathologie, sa définition a été revue et normalisée par l’OARSI (OsteoArthritis Research Society International) : « L’arthrose est une maladie impliquant les articulations mobiles, caractérisée par un stress cellulaire et une dégradation de la matrice extracellulaire, initiée par des micro et macro-traumatismes qui activent des tentatives de réponses inadaptées comprenant l’activation des voies pro-inflammatoires de l’immunité innée. La maladie se manifeste tout d’abord comme un trouble moléculaire (métabolisme anormal des tissus articulaires), suivi par des dérèglements anatomiques et/ou physiologiques (caractérisés par une dégradation du cartilage, un remodelage osseux, la formation d’ostéophytes, l’inflammation articulaire et la perte de la fonction articulaire normale) qui peuvent aboutir au développement d’une maladie. » (4) Parmi les tissus de l’articulation endommagés au cours de l’arthrose, le cartilage articulaire a longtemps été considéré comme le tissu le plus important et a donc constitué l’une des principales cibles pour le développement de traitements visant à régénérer un tissu cartilagineux fonctionnel. Cependant, les techniques chirurgicales développées pour traiter les lésions du cartilage articulaire, comme la microfracture ou la mosaïcplastie (5), conduisent généralement à la formation d’un tissu fibro-cartilagineux dont la stabilité est limitée par des propriétés biomécaniques inférieures à celles du cartilage hyalin sain.
Aujourd’hui encore et malgré les progrès de la chirurgie articulaire, le traitement des lésions du cartilage reste un véritable challenge. Dans ce contexte et pour répondre aux attentes des nombreux patients (2 millions par an aux États-Unis et en Europe [6]), se sont développées de nouvelles stratégies thérapeutiques basées sur la thérapie cellulaire et l’ingénierie tissulaire. L’ingénierie tissulaire, un domaine de recherche qui a émergé dans les années 1990 (7), a été définie en 1993 comme « un domaine interdisciplinaire appliquant les principes de l’ingénierie et des sciences de la vie afin de développer des substituts biologiques capables de restaurer, maintenir, ou améliorer la fonction des tissus. » (8) Dans cette revue, nous nous concentrerons sur les différentes composantes de l’ingénierie tissulaire appliquée au cartilage articulaire. Puis, nous discuterons du développement de stratégies prometteuses d’ingénierie du cartilage ciblant les mécanismes pathogéniques de l’arthrose récemment identifiés.

Ingénierie tissulaire du cartilage articulaire

L’ingénierie tissulaire est une discipline émergente qui combine les principes de l’ingénierie et des sciences biologiques pour développer des substituts biologiques pouvant restaurer les fonctions des tissus lésés (8). Cette discipline est basée sur une triade, associant des biomatériaux, des cellules et des facteurs biologiques ou environnementaux.

Les biomatériaux

En ingénierie tissulaire, les cellules sont généralement ensemencées sur un support tridimensionnel (3D), dont le principal objectif est de mimer les caractéristiques de la matrice extracellulaire (MEC) des tissus ciblés. En mimant la MEC, les biomatériaux fournissent aux cellules un environnement structural supportant leur viabilité, leur prolifération, leur différenciation et leurs activités de sécrétion.

Protéines, polysaccharides

De nombreux biomatériaux ont été considérés pour l’ingénierie tissulaire du cartilage. Ils peuvent être classés selon leur composition en matrices synthétiques ou naturelles. Parmi ces dernières, on peut distinguer celles à base de protéines ou de polysaccharides (9) (Tab. 1). Le biomatériau idéal doit être biocompatible pour prévenir les réactions immunologiques. Il doit fournir un environnement favorable pour le maintien du phénotype chondrocytaire en 3D et être adhésif afin de maintenir les cellules au sein de la lésion. Le biomatériau doit être perméable pour permettre la diffusion des molécules, des nutriments et des facteurs de croissance. Pour finir, il doit également être biodégradable pour pouvoir s’intégrer dans les processus physiologiques de remodelage des tissus et, idéalement, injectable pour être implantable par chirurgie mini-invasive.

Hydrogels

Malgré le grand nombre d’études précliniques et cliniques sur les biomatériaux pour l’ingénierie tissulaire du cartilage articulaire, aucune des matrices utilisées ne peut être injectée par voie percutanée. Dans ce contexte, des études récentes se sont dirigées vers le développement de matériaux injectables et auto-durcissants pouvant permettre la transplantation de cellules chondrogéniques par voie percutanée mini-invasive. Les propriétés et les structures des hydrogels en font des candidats idéaux pour une implantation par chirurgie mini-invasive (23). Les hydrogels sont composés de chaînes de macromolécules naturelles ou synthétiques capables de former des gels après réticulation ionique, physique ou covalente (24). Ils présentent un degré d’hydratation élevé proche du cartilage articulaire, ce qui leur permet de mimer l’environnement 3D des chondrocytes in vivo (25). Récemment, un hydrogel auto-réticulant à base de cellulose associé à des chondrocytes ou des cellules souches mésenchymateuses (CSM) a été montré capable de réparer des défauts ostéochondraux chez le lapin (9,26). En résumé, malgré une abondante variété de biomatérieux développés pour l’ingénierie du cartilage et capables de supporter la culture de chondrocytes phénotypiquement stables, ainsi que la différenciation chondrocytaire des CSM, seuls quelques-uns ont été transférés en clinique avec succès (27).

Cellules

Parmi les nombreux types cellulaires qui ont été testés pour l’ingénierie du cartilage, les chondrocytes et les CSM demeurent les sources de cellules chondrogéniques les plus largement étudiées.

Chondrocytes

Des chondrocytes adultes ayant la capacité de former une MEC peuvent être isolés à partir de diverses sources telles que le cartilage articulaire, la cloison nasale, le cartilage costal ou le cartilage auriculaire (28). Néanmoins, chaque type de chondrocytes donne naissance à un tissu ayant les caractéristiques du tissu d’origine (28). Ainsi, dans le contexte de l’ingénierie du cartilage articulaire, il sera préférable d’utiliser des chondrocytes provenant d’un cartilage de type hyalin comme les cartilages articulaire, nasal ou costal. De plus, la comparaison de chondrocytes provenant de ces différentes sources a démontré la supériorité des chondrocytes costaux et nasaux sur les chondrocytes articulaires en termes de quantité de cartilage formé (28). Ainsi, une étude récente dans The Lancet présente un premier essai de phase I chez l’homme, utilisant des chondrocytes autologues issus de septum nasal pour réparer le cartilage articulaire. Cette étude sur 10 patients démontre la faisabilité de la procédure, ainsi qu’une amélioration des signes cliniques et de la qualité de vie chez les patients traités (6). Cependant, à ce jour, seules des procédures impliquant des chondrocytes articulaires sont commercialisées : Carticel® (Vericel Corp.) et ChondroCelect® (Tigenix, Louvain, Belgique), deux procédés d’isolement et d’amplification in vitro de chondrocytes articulaires autologues en vue de leur réimplantation. Toutefois, l’utilisation de chondrocytes autologues, quelle que soit leur origine, présente des inconvénients, tels que l’instabilité de leur phénotype en culture monocouche (29) et leur évolution vers un phénotype fibroblastique (30). Malgré la réversibilité de ce phénomène en culture 3D (31), ce processus de dédifférenciation a motivé la recherche de cellules alternatives pour l’ingénierie tissulaire du cartilage.

CSM

Les CSM adultes sont des cellules multipotentes caractérisées par leur capacité à proliférer et à se différencier en plusieurs types cellulaires comme les chondrocytes, adipocytes, ostéoblastes, cellules myogéniques et neurones (32). Par conséquent, les CSM adultes ont été considérés avec intérêt pour l’ingénierie tissulaire (33). Cependant, malgré un grand nombre d’études relatant les propriétés prometteuses des CSM pour l’ingénierie tissulaire du cartilage, seules quelques études cliniques chez l’Homme ont rapporté l’utilisation de CSM avec ou sans biomatériaux. Dans l’ensemble, ces études ont donné des résultats encourageants, avec des signes cliniques améliorés chez les patients traités (34, 35). Actuellement, 58 études cliniques impliquant l’utilisation des CSM pour le traitement de l’arthrose sont référencées sur clinicaltrials.gov. Les premiers résultats de ces études permettront d’affiner nos connaissances sur l’efficacité des CSM dans la réparation des lésions du cartilage. Les CSM sont également étudiées avec un intérêt croissant, car elles n’expriment pas les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe II, responsables du rejet immunitaire (36). Cette particularité suggère un état de privilège immunologique des CSM qui indique qu’elles pourraient être également utilisées en condition allogénique. À l’heure actuelle et bien que plusieurs centaines d’essais cliniques de par le monde utilisent des CSM allogéniques, cet état de privilège immunitaire demeure débattu (37) et devra être clarifié avant d’utiliser en routine clinique des CSM allogéniques.

hiPSCs

« L’efficacité et la sécurité d’utilisation des chondrocytes dérivés d’hiPSC pour la régénération du cartilage articulaire devront être testées dans des modèles animaux pertinents. »

Récemment, la possibilité de générer des cellules souches pluripotentes induites (hiPSCs) à partir de cellules somatiques humaines (par ex. les fibroblastes cutanés) reprogrammées par l’expression de facteurs de transcription associés à la pluripotence : Oct4, Sox2, Myc et Klf4 (38) a été découverte par Sir John B. Gurdon et Shinya Yamanaka et leur a valu l’attribution en 2012 du Prix Nobel de médecine et de physiologie. De plus, la production de chondrocytes fonctionnels à partir d’hiPSCs qui a récemment été rapportée (39), est particulièrement intéressante car elle permet d’avoir accès à une source théoriquement illimitée de cellules spécifiques du patient pour la régénération du cartilage articulaire. Cependant, l’efficacité et la sécurité d’utilisation des chondrocytes dérivés d’hiPSC pour la régénération du cartilage articulaire devront être testées dans des modèles animaux pertinents avant que cette découverte majeure n’impacte plus profondément l’ingénierie tissulaire du cartilage articulaire.

Facteurs biologiques et environnementaux

La formation du cartilage articulaire au cours du développement embryonnaire suit un processus proche de l’ossification endochondrale. Plusieurs facteurs de croissance impliqués dans le développement de la plaque de croissance ont été identifiés comme des facteurs affectant profondément la différenciation chondrogénique des CSM. Parmi ces facteurs, des facteurs de croissance, tels que les transforming growth factor-β1 et 3 (TGF-β1 et -β3), sont couramment utilisés pour induire la chondrogenèse des CSM adultes. D’autres facteurs de croissance ou de différenciation ont aussi été testés pour moduler la différenciation chondrogénique des CSM, avec divers effets (9). La différenciation chondrogénique des CSM peut être favorisée par l’utilisation de facteurs environnementaux spécifiques. Parmi ces facteurs, la culture en trois dimensions (3D), les stimuli mécaniques et une faible tension d’oxygène sont probablement les plus largement documentés. À l’instar des chondrocytes, pour lesquels la culture 3D permet le maintien ou le rétablissement de leur phénotype (31), la différenciation chondrogénique des CSM est fortement favorisée par la culture en 3D, soit sous forme de micromasse, soit au sein de biomatériaux (40). De façon intéressante, de nombreux biomatériaux ont été utilisés avec succès pour la culture 3D et la différenciation chondrogénique des CSM (40).
Le cartilage articulaire est un tissu soumis à divers stimuli mécaniques tels que la pression hydrostatique, la compression ou le cisaillement. Les stimuli mécaniques ont ainsi été utilisés pour générer des constructions de cartilage présentant une organisation structurale des éléments de la MEC (à savoir le collagène et les glycosaminoglycanes) ressemblant étroitement à celle du cartilage articulaire natif (41). Pour terminer, le cartilage articulaire est non vascularisé, il se développe donc naturellement en présence d’une faible tension en oxygène (hypoxie), allant de 2 % à 7 % d’oxygène. Par conséquent, en plaçant les chondrocytes ou les CSM en condition hypoxique, il est possible de maintenir le phénotype chondrocytaire et stimuler la chondrogenèse des CSM (26, 42). L’hypoxie agit notamment en favorisant l’expression des gènes de la MEC du cartilage (43). De plus, l’hypoxie empêche également la conversion hypertrophique terminale des CSM (44). Ainsi, la tension en oxygène apparaît comme un facteur sûr et simplement modulable pour contrôler la différenciation chondrogénique des CSM.

Médecine régénératrice et futures thérapies de l’arthrose

L’utilisation des CSM dans le traitement de l’arthrose a pris un nouvel élan ces cinq dernières années, en partie au travers de l’exploitation des capacités sécrétrices des CSM. En effet, les CSM exercent principalement leurs propriétés régénératrices par la sécrétion de facteurs immunomodulateurs, pro-angiogéniques, anti-
apoptotiques, anti-fibrotiques et anti-inflammatoires (45). Les CSM peuvent moduler les réponses immunitaires, en agissant sur les cellules de l’immunité innée (cellules dendritiques, NK et macrophages) et adaptative (lymphocytes T et B) (45). De fait, il a été rapporté que l’injection intra-articulaire de CSM dérivées de la moelle osseuse peut prévenir l’apparition de l’arthrose chez la chèvre (46). Les CSM dérivées du tissu adipeux, quant à elles, inhibent l’inflammation et présentent certains effets chondroprotecteurs dans des modèles murins d’arthrose (47). L’ensemble de ces données suggérant un effet protecteur puissant de CSM isolées à partir de divers tissus a suscité un intérêt croissant dans l’arthrose et motivé l’initiation de plusieurs essais cliniques de phase I ou II dont les résultats cliniques encourageants demeurent à être confirmés dans des cohortes de plus grande envergure (48).

Malgré ces résultats encourageants, l’injection intra-articulaire de CSM présente quelques limites :
1. une mort cellulaire massive lors de l’injection dans l’espace articulaire (47) et 2. un risque de fuite cellulaire hors de l’espace articulaire en raison de la propension à migrer des CSM (49). Bien que les CSM semblent avoir un effet thérapeutique à travers une présence articulaire transitoire, la protection des CSM contre la détection immunitaire pourrait prolonger leur persistance in vivo et ainsi améliorer les résultats cliniques. Pour protéger les cellules, leur encapsulation au sein de biomatériaux cytoprotecteurs avant l’injection est à l’étude. L’encapsulation cellulaire est basée sur l’immobilisation des cellules à l’intérieur d’une sphère ou d’une capsule de biomatériau ayant une membrane semi-perméable. Cette membrane protège les cellules piégées contre les contraintes mécaniques, tout en permettant une diffusion bidirectionnelle des nutriments, de l’oxygène, des facteurs de croissance, des cytokines et des déchets. Les cellules encapsulées présentent des temps de survie prolongés après injection, ce qui pourrait être bénéfique pour leur efficacité à long terme. Ainsi, l’encapsulation cellulaire pourrait permettre l’exploitation des propriétés sécrétrices des CSM dans le traitement de l’arthrose.
À l’instar du vieillissement, l’arthrose est couramment décrite comme la conséquence d’une perturbation de l’homéostasie cartilagineuse où les produits cataboliques comme les Damage-Associated Molecular Patterns (DAMPs) s’accumulent dans l’articulation, augmentent le stress oxydatif et renforcent l’inflammation (50). Pour maintenir l’homéostasie, les chondrocytes dépendent principalement de l’activité autophagique, notamment pour éliminer les organites endommagés ou les macromolécules non fonctionnelles (51). Avec l’âge et au cours de l’arthrose, l’autophagie diminue progressivement dans les chondrocytes, augmentant ainsi l’accumulation de molécules endommagées, ce qui conduit à la sénescence des chondrocytes et augmente la survenue de l’arthrose (52). Ce déséquilibre entre les processus d’autophagie et de sénescence a également été démontré dans des modèles murins d’arthrose (52). Dans ce contexte, les stratégies d’ingénierie tissulaire impliquant la libération contrôlée de molécules/médicaments pro-autophagiques (rapamycine) à partir de biomatériaux spécialement conçus pourraient prévenir la dégradation du cartilage articulaire (53, 54). Ainsi, de futures stratégies d’ingénierie tissulaire prenant aussi en compte la prévention de la sénescence et l’augmentation de l’autophagie pourraient s’avérer prometteuses pour le traitement de l’arthrose.

Conclusion

« Si nous souhaitons voir des progrès dans le traitement de l’arthrose, des stratégies d’ingénierie tissulaire ciblant les différents aspects de la maladie devront être envisagées. »

L’ingénierie tissulaire appliquée au cartilage articulaire semble proche d’une adoption générale en clinique. En effet, celle-ci a considérablement évolué au cours des vingt dernières années, se traduisant aujourd’hui par un nombre important d’essais cliniques. Cependant, l’arthrose est une maladie complexe et multifactorielle qui entraîne une perturbation de l’homéostasie du cartilage et une inflammation des articulations. C’est pourquoi, si nous souhaitons voir des progrès dans le traitement de l’arthrose, des stratégies d’ingénierie tissulaire ciblant les différents aspects de la maladie devront être envisagées. Une approche d’ingénierie tissulaire combinant les CSM et des biomatériaux libérant des molécules pro-autophagiques pourrait être pertinente pour améliorer le traitement de l’arthrose. Cependant, avant qu’une telle stratégie thérapeutique innovante puisse être utilisée en routine, un grand nombre de combinaisons de biomatériaux, cellules, biofacteurs et molécules anti-arthrosiques doit être évalué.n

Remerciements

Ces travaux sont soutenus par la fondation Arthritis au travers du réseau national ROAD (Research on OsteoArthritis Diseases), par le programme Longévité mobilité autonomie (LMA) de la région Pays-de-la-Loire et par la Société française de rhumatologie.

Les auteurs déclarent ne pas avoir de liens d’intérêt.

 

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