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BIOCHIMIE

Mimétisme osseux

Des membranes en cellulose et en verre stimulent la régénération cellulaire

Publié en Janvier 2012

Os du visage : des fractures pourront être réparées grâce à des biomatériaux produits avec des bactéries

CNRI / SCIENCE PHOTO LIBRARY / LATINSTOCKOs du visage : des fractures pourront être réparées grâce à des biomatériaux produits avec des bactériesCNRI / SCIENCE PHOTO LIBRARY / LATINSTOCK

Des chercheurs brésiliens se basent sur des approches novatrices pour développer des biomatériaux destinés à des applications médicales et odontologiques. Ces biomatériaux doivent faire la liaison avec le tissu cellulaire, aider à la formation des vaisseaux sanguins et à la récupération rapide de l’os. L’un de ces matériaux bioactifs est une membrane faite à partir de la cellulose produite par des bactéries et qui est composée de peptides (morceaux de protéines) synthétisés en laboratoire, capables de stimuler des processus qui améliorent la récupération osseuse ainsi que des éléments qui constituent les os, comme le collagène et l’hydroxyapatite. En contact avec les fluides physiologiques, les matériaux considérés bioactifs – à l’exemple des céramiques et des verres – peuvent régénérer la couche perdue mais aussi faire la liaison avec le tissu osseux. Ce sont des matériaux différents du titane par exemple, très utilisé pour fixer des implants mais qui n’établit pas de liaison chimique effective avec l’os.

Le matériau composite à base de cellulose bactérienne est développé à l’Université d’état Paulista (Unesp) d’Araraquara, dans la province de l’état de São Paulo. Il peut être utilisé dans des implants dentaires lorsqu’il n’y a pas assez d’os pour mettre la vis qui sert de support ou dans des processus d’extraction de dents qui occasionnent un rétrécissement de l’os. Les tests déjà effectués montrent des applications possibles pour réparer des petites fractures osseuses dans des zones sans grande charge mécanique, comme les os du visage. La cellulose est déjà utilisée en médecine, à l’exemple des pansements antibactériens vendus dans le commerce pour les brûlures, mais jusqu’à présent elle n’avait pas encore été utilisée pour la régénération de tissus osseux.

Reinaldo Marchetto, professeur de l’Institut de Chimie, coordinateur du projet et chef du groupe de recherche ‘Synthèse, structure et applications de peptides et de protéines’ de l’Unesp d’Araraquara, observe : « Nous avons introduit dans la cellulose deux types de peptides, un contenant cinq résidus d’acides aminés et l’autre quatorze, et les deux ont offert une meilleure réparation osseuse ». Marchetto a dirigé la thèse de doctorat de la chirurgienne dentiste Sybele Saska – une thèse élue meilleur travail dans la catégorie Matériaux Dentaires lors de la 88e Session Générale de l’Association Internationale pour la Recherche Dentaire, réalisée en juillet 2010 à Barcelone. L’étude fait partie de deux projets financés par la FAPESP et coordonnés par le chercheur. Les résultats obtenus ont donné lieu au dépôt d’un brevet à l’Institut National de la Propriété Industrielle (INPI), avec l’aide du Programme de Soutien à la Propriété Intellectuelle (Papi) de la FAPESP.

La cellulose est formée de nanofibres produites par les bactéries du genre Gluconacetobacter, et chacune mesure entre 10 et 50 nanomètres (1 nanomètre équivaut à 1 millimètre divisé par 1 million). Elles sont lancées par des bactéries immergées dans un milieu de culture composé de glucose, acides aminés, extrait de levure et sels, et ce pour une période de 120 heures à une température de 28°C. Les couches se superposent jusqu’à former une sorte de pellicule de consistance gélatineuse entre le milieu de culture et la surface. Quand elle atteint 5 mm d’épaisseur, la pellicule est retirée du milieu pour être lavée et débarrassée des bactéries. Après un traitement chimique, des lavages à l’eau distillée et une stérilisation, il ne reste plus que la cellulose pure, dans laquelle sont ajoutés des composants tels que le collagène, l’hydroxyapatite et les peptides.

Après avoir analysé les propriétés physico chimiques du matériau et procédé à des essais mécaniques de résistance et de traction, les chercheurs ont réalisé des tests in vitro avec des cellules précurseurs d’os cultivées jusqu’à 21 jours sur des membranes avec et sans peptides. Marchetto indique que « les échantillons qui ont reçu les peptides ont présenté une prolifération très supérieure d’ostéoblastes, les cellules jeunes du tissu osseux, et le processus de minéralisation a été plus grand que dans les échantillons sans les protéines ». Le résultat suggère une régénération plus rapide de l’os. À la suite de ces tests in vitro, les chercheurs ont fait des tests en appliquant la régénération osseuse guidée sur des petits défauts du fémur de rats. Les analyses pour évaluer la biocompatibilité, l’efficacité du peptide régulateur et la densité osseuse se sont faites sur des périodes de 7, 15, 30 et 120 jours. « Le peptide a réellement favorisé la conduction et l’induction osseuse », relate Marchetto. De fait, l’os était formé entre 15 et 30 jours. Les premiers essais ont montré que la réabsorption des membranes par l’organisme n’a lieu que dans des périodes supérieures à 120 jours. Pour que la membrane de cellulose modifiée puisse être appliquée dans des cabinets dentaires, il faut encore attendre de nouveaux tests sur des animaux et des personnes.

Un autre biomatériau est développé à l’Université Fédérale de l’état de Minas Gerais (UFMG) : un verre bioactif essentiellement composé de silice, calcium et phosphore, inialement indiqué pour la récupération osseuse dans les implants dentaires. À l’avenir, le produit pourra être utilisé pour des applications orthopédiques comme la réparation de vertèbres et, par exemple, en association avec le collagène. Ses applications s’étendent à la substitution d’os plus résistants mécaniquement, comme les bras et les jambes. Certes, il existe déjà sur le marché brésilien des bioverres fabriqués par des entreprises nord-américaines. Mais le matériau développé à l’université et en phase de perfectionnement à la startup Ceelbio de Belo Horizonte est novateur au niveau de son processus de synthèse à température ambiante. En plus de faire des économies d’énergie, le processus permet l’incorporation de médicaments à libération contrôlée et à l’action localisée. Rosana Domingues, professeur de l’Institut des Sciences Exactes de l’UFMG, coordinatrice du projet sur le bioverre et l’une des associées de Ceelbio, dit que « dans le processus conventionnel de fusion des matières premières et de refroidissement rapide, le bioverre est fabriqué à 800°C. […] La température élevée rend le matériel dense et ne permet pas l’incorporation de médicaments ».

Les chercheurs ont choisi la synthèse par voie gel-sol, un procédé qui consiste en une séquence de produits chimiques accélérés par un catalyseur, à température ambiante. À la fin du processus, le gel poreux obtenu est transformé en poudre pour faciliter la préparation et l’addition de médicaments.
Les essais d’évaluation de la toxicité du matériau reconnus par l’Agence Brésilienne de Vigilance Sanitaire (Anvisa) ont prouvé qu’il n’était pas toxique.
En partenariat avec l’Institut des Sciences Biologiques et l’École d’Odontologie de l’UFMG, les chercheurs ont mené des tests in vitro sur des rats ainsi qu’une
étude préliminaire sur des personnes, en utilisant le verre bioactif associé à des antibiotiques et des anti-inflammatoires. Ils ont obtenu de bons résultats. Les recherches sur le développement du bioverre à température ambiante ont débuté à l’université à la fin des années 1990, avec une étudiante de doctorat dirigée par Rosana Domingues et qui a créé un biomatériau à base d’hydroxyapatite et de zircone. C’est à partir de là qu’a été mise en place une ligne de recherche consacrée exclusivement au développement de matériaux céramiques au département de chimie de l’UFMG.

Membrane de cellulose après séchage

LEO RAMOSMembrane de cellulose après séchageLEO RAMOS

Le développement du bioverre par la voie sol-gel a fait l’objet d’un dépôt de brevet en 2002, et en 2008 ont débuté des études pour l’application commerciale. Aux côtés de Rosana Domingues se trouve le professeur Tulio Matencio, du département de chimie et également associé de Ceelbio – Ceelbio a d’abord été située dans la pépinière d’entreprises de l’UFMG, Inova. Mais comme la pépinière ne possède pas de licence dans le domaine biologique, l’entreprise est en train de déménager pour rejoindre l’incubateur industriel de l’entreprise Biominas, Habitat. Ceelbio travaille avec des matériaux céramiques dans deux voies distinctes. Le projet qui a donné lieu au bioverre a été financé à hauteur de 30000 reais par la Fondation de Soutien à la Recherche de l’état de Minas Gerais (Fapemig), 120 000 reais de l’Agence de Financement d’Études et de Projets (Finep) et 67 000 reais pour avoir remporté le Défi Brésil 2011 : un prix d’entrepreneuriat et d’innovation promu par Intel et par le Centre d’Études en Private Equity et Venture Capital de l’École d’Administration d’Entreprises de São Paulo, de la Fondation Getúlio Vargas.

À l’Université d’état de Campinas (Unicamp), le groupe de recherche du professeur Celso Bertran de l’Institut de Chimie a développé une modification fonctionnelle à la surface d’un bioverre commercial appelé Bioglass 45S5 ; composé de calcium, phosphore, silice et sodium, il accélère les réactions d’interaction avec l’organisme en induisant une croissance plus rapide des tissus osseux. « Nous avons modifié la surface du bioverre avec des ions calcium à une bonne concentration », déclare Bertran. Le professeur dirige la thèse de doctorat de João Henrique Lopes, financée par la FAPESP, et qui a résulté en dépôt de brevet à l’INPI par l’Agence d’Innovationde l’Unicamp, l’Inova. Cette modification fonctionne comme un accélérateur du processus de formation du phosphate de calcium à l’interface entre le bioverre et le tissu osseux. Et Bertran d’ajouter : « Nous avons réussi à accélérer la réponse biologique du bioverre sans avoir besoin de modifier la facilité de son traitement. […] Le processus et le matériau qui en découlent sont tous deux nouveaux ».

La caractérisation complète de la composition de la surface du bioverre ainsi que la détermination] de la rapidité avec lesquels les ions qui composent la surface modifiée sont libérés vers le tissu – devenant ainsi responsables des processus inducteurs de formation osseuse et de la connexion entre le bioverre et le tissu hôte – ont déjà été faites par les chercheurs. L’idée de départ était de modifier la surface du bioverre en maintenant les propriétés du verre, ce qui a été réussi. Actuellement, la recherche est centrée sur la détermination des mécanismes de modification de la surface du bioverre et l’évaluation biologique du matériau in vitro.

LES PROJETS 1. Peptides synthétiques avec application dans le domaine de la santé : perspectives d’innovation et de développement technologique – n° 2010/10168-8. 2. Nanocomposites à base de cellulose bactérienne pour application dans la régénération du tissu osseux – n° 2009/09960-1. 3. Matériaux nanocomposites à base de cellulose bactérienne, collagène, hydroxyapatite, facteurs de croissance et autres peptides, pour application dans la régénération osseuse – n° 2009/50868-1 MODALITÉ 1 et 2. Aide Régulière au Projet de Recherche 3. Programme de Soutien à la Propriété Intellectuelle COORDONNATEUR 1, 2 et 3. Reinaldo Marchetto – Unesp INVESTISSEMENT  1. 366 830,00 reais (FAPESP) 2. 131 672,04 reais (FAPESP) 3. 18 651,50 reais (FAPESP)

 

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