Mieux comprendre la maladie des os fragiles – sans expérimentation animale

Pour une personne souffrant de fragilité osseuse, la vie est pleine de complications. Il suffit d'un faux pas, d'une chute apparemment anodine ou même d'un faux mouvement pour qu'elle se retrouve avec un bras ou une jambe cassée. Et il y a de fortes chances que cela se produise à plusieurs reprises, car ces personnes sont nées avec une anomalie génétique héréditaire qui rend leurs os extrêmement fragiles et qui est souvent associée à des déformations physiques. L'auteur et acteur allemand Peter Radtke et le pianiste de jazz français Michel Petrucciani sont des exemples notoires de personnes souffrant de fragilité osseuse.

Dans la plupart des cas, la fragilité osseuse est due à une mutation du gène qui porte le schéma de la protéine du collagène de type I. Il s'agit de la protéine de loin la plus importante dans la vie d'une personne atteinte de fragilité osseuse. Cette protéine est de loin la plus importante pour la formation d'une matrice osseuse dure. Les personnes atteintes de cette maladie présentent un défaut génétique qui empêche cette protéine de collagène de se replier correctement, ce qui se traduit par une matrice osseuse instable et des os fragiles. Le nom propre de la maladie des os fragiles est l'ostéogenèse imparfaite, ou OI en abrégé.

Une structure matricielle poreuse

Jusqu'à présent, les scientifiques n'avaient qu'une compréhension rudimentaire de la manière dont les mutations de la protéine de collagène perturbent la formation de la matrice osseuse, ainsi que de la manière de traiter ces malformations. Aujourd'hui, un groupe de recherche de l'Institut de biomécanique de l'ETH Zurich a fait un grand pas en avant pour répondre à ces questions. L'équipe est dirigée par Xiao-Hua Qin, professeur d'ingénierie des biomatériaux, en collaboration avec un autre professeur de l'ETH Zurich, Ralph Müller. Ensemble, ils ont mis au point un modèle in vitro en 3D qui leur permet d'étudier la formation osseuse plus en détail - actuellement en utilisant des cellules saines et, à l'avenir, également des cellules de personnes atteintes d'OI. Les scientifiques rendent compte de leurs progrès dans le dernier numéro de la revue Nature Communications.

Ce nouveau modèle osseux est basé sur une matrice poreuse, ou structure, constituée d'un polymère synthétique. Dans cette matrice, constituée d'un hydrogel mou, les cellules (ostéoblastes) qui forment l'os peuvent s'installer, se multiplier et se connecter entre elles et avec leurs ramifications pour former un réseau tridimensionnel. Au cours du développement, les scientifiques ont constaté que la taille idéale des pores se situe entre 5 et 20 micromètres : suffisamment larges pour permettre aux cellules de s'installer et de se multiplier, mais suffisamment étroits pour les empêcher de s'échapper.

Pour créer leur hydrogel, l'équipe de recherche s'est inspirée des modèles in vitro de cellules nerveuses. «Les hydrogels poreux offrent aux neurones un environnement extrêmement propice à la formation de réseaux artificiels», explique Xiao-Hua Qin. Toutefois, il est rapidement apparu que les cellules précurseurs des os réagissent complètement différemment sur un point : si elles ont également besoin d'une matrice poreuse, celle-ci doit être biodégradable. Les scientifiques ont donc équipé leur hydrogel de ce que l'on appelle un réticulant peptidique, qui peut être décomposé par une enzyme, la métalloprotéinase matricielle (MMP). Cela permet aux cellules de produire des fibres de collagène plus matures. Les MMP sont essentielles à de nombreux processus corporels, dont la formation des os.

Pour s'assurer que les cellules osseuses puissent croître et se mettre en réseau correctement, les chercheurs et chercheuses ont dû résoudre un autre problème. «L'étude du développement osseux et du remodelage osseux implique une stimulation mécanique des cellules», explique Doris Zauchner, doctorante dans le groupe de Xiao-Hua Qin et autrice principale de l'article de recherche. Les chercheuses et chercheurs ont placé un hydrogel avec des cellules intégrées sur une puce et ont fait passer un liquide à travers les pores. «Ce liquide soumet les cellules à des forces de cisaillement», explique Doris Zauchner, ce qui est important pour la fonction cellulaire. Il a également été démontré qu'un liquide transportant des nutriments et des messagers chimiques stimule mécaniquement les cellules dans les pores d'os sains.

Le modèle ressemble beaucoup à la formation osseuse normale

Comme le décrivent les chercheurs et chercheuses dans leur article, leur modèle osseux, doté d'une matrice d'hydrogel biodégradable et d'une stimulation mécanique, peut reproduire avec succès le développement osseux. Les ostéoblastes se reproduisent et, dans certains cas, se transforment même en ostéocytes immatures (qui représentent 90% des cellules des os sains) ; ils sécrètent du collagène et peuvent minéraliser la matrice. «Il ne s'agit peut-être que d'un modèle», déclare Doris Zauchner, «mais il ressemble beaucoup au développement normal des os». Maintenant qu'elles et ils ont breveté leur modèle, les chercheurs et chercheuses prévoient de le mettre à la disposition de partenaires industriels potentiels.

Par rapport aux modèles de formation osseuse précédents, le nouveau modèle in vitro sur puce présente de nombreux avantages. Les pores des modèles précédents étaient soit trop étroits, de sorte que les cellules n'avaient guère de marge de manœuvre, soit trop larges, de sorte qu'aucun réseau tridimensionnel ne pouvait se former. En outre, comme ces modèles utilisaient du collagène pour leur structure matricielle, il était impossible d'étudier si c'étaient les cellules elles-mêmes qui produisaient du collagène et, dans l'affirmative, en quelle quantité. Le modèle étant suffisamment petit pour tenir sur une puce, les scientifiques peuvent l'utiliser même s'ils et elles ne disposent que de quelques cellules d'un patient ou d'une patiente.

Remplacer les expériences sur les animaux

Jusqu'à présent, la recherche sur l'IO s'est principalement appuyée sur des modèles animaux. Doris Zauchner note qu'il en existe plus de 20 différents, certains utilisant des souris, d'autres des poissons ou même des chiens. «L'expérimentation animale s'accompagne d'un grand nombre de contraintes, dont la principale est qu'elle est extrêmement coûteuse. C'est pourquoi nous essayons de créer un modèle in vitro pour l'IO. Notre objectif est d'intégrer dans l'hydrogel des cellules de personnes atteintes d'IO afin de découvrir les processus qui fonctionnent mal». Doris Zauchner est sur le point de commencer les premières expériences en utilisant les cellules d'un jeune patient atteint d'OI à l'Hôpital pour enfants de Zurich.

Le projet OI fait partie du programme national de recherche suisse «Advancing 3R». Son objectif principal est d'étudier comment appliquer l'approche 3R (Remplacer, Réduire et Raffiner) à l'expérimentation animale.

Le groupe de cherche à mieux comprendre les processus qui régissent la formation, le développement et la dégradation des os. À cette fin, les activités du groupe ne se limitent pas au nouveau modèle de l'OI. Dans le cadre d'un autre projet, pour lequel Xiao-Hua Qin a récemment reçu une prestigieuse bourse de démarrage de l'ERC, l'équipe développe un modèle pour les maladies osseuses dégénératives telles que l'ostéoporose. L'accent est mis ici sur les ostéocytes, qui sont des cellules osseuses à différenciation terminale. «Nous voulons utiliser les réseaux tridimensionnels des cellules humaines pour construire un modèle in vitro de développement osseux», explique Xiao-Hua Qin. Personne n'y est encore parvenu, à l'exception peut-être de sa propre équipe : «Dans le modèle que nous venons de dévoiler, nous avons trouvé des ostéocytes immatures ainsi que des ostéoblastes.»