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Résumé

Les organes et les tissus du corps humain sont assez résistants à l’usure de la vie humaine quotidienne, mais ils peuvent encore échouer pour de nombreuses raisons. La médecine régénérative est un domaine qui explore de nouveaux outils pour réparer et remplacer les organes et les tissus endommagés. La médecine régénérative comprend une vaste gamme de traitements; par exemple, la thérapie par cellules souches et les biomatériaux. Les biomatériaux sont des matériaux conçus pour interagir avec le corps humain. Ils peuvent être conçus avec de nombreux matériaux différents pour différentes applications et peuvent être structurellement similaires à l’organe ou au tissu à réparer. Le domaine des biomatériaux est en constante évolution et alors que nous continuons à en apprendre davantage sur les interactions des biomatériaux avec le corps au niveau cellulaire, de plus en plus de traitements biomatériaux sont en cours de développement.

Biomatériaux: Éléments constitutifs de la réparation tissulaire

Les organes et les tissus du corps humain ont des fonctions très spécifiques et compliquées. Nos vies dépendent de ces organes pour fonctionner correctement et 24 heures sur 24. Cependant, parfois, les organes et les tissus sont endommagés et peuvent échouer, en raison de maladies ou d’accidents. Il existe de nombreuses thérapies médicales qui peuvent aider à traiter les organes endommagés, mais beaucoup n’ont toujours pas la capacité de réparer l’organe afin qu’il retrouve sa pleine fonction. Par exemple, les traitements actuels n’améliorent pas vraiment la fonction cardiaque après une crise cardiaque.

La médecine régénérative est un domaine de recherche qui fournit de nouveaux outils pour réparer les organes défaillants et remplacer les tissus endommagés. La médecine régénérative utilise ce qu’on appelle l’ingénierie tissulaire pour concevoir de nouvelles stratégies de réparation des organes et des tissus endommagés. L’ingénierie tissulaire signifie utiliser la biologie, la chimie et l’ingénierie pour fabriquer de nouveaux matériaux compatibles avec le corps humain et pouvant être utilisés pour fixer ou remplacer des organes et des tissus. Il existe un large éventail de thérapies incluses dans le domaine de la médecine régénérative, les biomatériaux étant l’un des outils les plus couramment utilisés. Les biomatériaux sont comme des blocs de construction Lego® et ont été utilisés pour réparer les tissus et les organes, tels que le cœur, la peau, la cornée et le système nerveux. Les biomatériaux sont des matériaux destinés à être insérés dans le corps pour remplacer ou réparer des organes ou des tissus endommagés. Les biomatériaux ont souvent des propriétés spéciales qui leur permettent d’être en contact avec les cellules, les tissus et les organes humains sans être rejetés par le corps. La bioingénierie est le nom du domaine qui crée et utilise des biomatériaux pour améliorer les traitements médicaux actuels.

La médecine régénératrice utilise également diverses façons d’appliquer ses thérapies afin qu’elles puissent fonctionner efficacement. Les thérapies régénératives peuvent inclure: (1) la thérapie cellulaire utilisant des cellules souches, qui sont des cellules immatures qui peuvent potentiellement devenir ou produire toute cellule ou tissu nécessaire, (2) la bioingénierie utilisant des biomatériaux, comme nous l’avons décrit ici, et (3) les médicaments et les traitements médicamenteux. À mesure que la médecine régénérative évolue, les méthodes d’application des traitements changent également, souvent en combinant des méthodes existantes ou en en créant de nouvelles qui conviennent mieux au traitement. Les biomatériaux, la bioingénierie et la médecine régénérative ouvrent actuellement la voie à de nouvelles thérapies médicales, en particulier pour réparer des organes que l’on pensait auparavant irréparables.

L’histoire des biomatériaux

Les biomatériaux se sont considérablement améliorés depuis qu’ils ont été développés, et ils changent encore, alors que les scientifiques continuent de mieux comprendre les maladies et comment les biomatériaux interagissent avec le corps. Les biomatériaux peuvent être créés à partir d’une variété de matériaux, en fonction de leur utilisation. Par exemple, ils peuvent être fabriqués à partir de différents types de composants naturels, tels que le collagène qui se trouve dans le corps ou l’alginate qui provient d’algues, de matériaux synthétiques, tels que le métal, ou une combinaison. Les premiers biomatériaux n’interagissaient pas avec le corps humain, mais ils avaient des propriétés physiques similaires aux organes endommagés qu’ils étaient utilisés pour réparer ou remplacer. Ces matériaux étaient souvent créés à partir de divers métaux, céramiques ou substances, telles que le caoutchouc. Ces premiers biomatériaux étaient couramment utilisés comme prothèses, qui sont des parties artificielles du corps telles qu’une jambe ou un cœur, mais ils avaient une mauvaise aptitude au peignage avec le corps, de sorte qu’ils étaient souvent rejetés. Ces premiers matériaux ne pouvaient pas interagir avec le corps au niveau cellulaire, ce que les biomatériaux d’aujourd’hui visent à faire. Les progrès réalisés dans le développement de nouveaux biomatériaux ont conduit des matériaux pouvant interagir avec le corps à favoriser la guérison et la régénération. Ces nouveaux biomatériaux étaient considérés comme bioactifs, ce qui signifie qu’ils pouvaient interagir avec le corps et former des liaisons chimiques avec les tissus. Cela se voit dans les implants de hanche qui favorisent la croissance osseuse, ce qui permet à une couche de calcium, appelée hydroxyapatite, de se développer sur l’implant. Les biomatériaux les plus récents, connus sous le nom de biomatériaux de troisième génération, sont conçus pour interagir avec le corps et provoquer une réponse spécifique des cellules du corps. Les biomatériaux de troisième génération peuvent également imiter la structure 3D naturelle du corps et stimuler la régénération tissulaire (re-croissance). Les scientifiques ont énormément amélioré les biomatériaux et ils continuent de travailler dessus, modifiant les propriétés des matériaux pour fonctionner plus efficacement dans le corps des patients.

Quelle Forme prennent les Biomatériaux ?

Les biomatériaux peuvent prendre de nombreuses formes différentes et être fabriqués à partir de nombreux matériaux différents. Idéalement, les biomatériaux devraient avoir une structure poreuse, ce qui signifie qu’ils ont de petits trous qui laissent passer les gaz, les liquides et même les cellules, semblables à l’organe ou au tissu qu’ils visent à guérir. Les cellules qui aident à la guérison peuvent également être chargées dans les petits pores du biomatériau. De cette manière, un biomatériau poreux peut être utilisé pour délivrer des cellules à un tissu endommagé. Le biomatériau aide à garder les nouvelles cellules dans les tissus où elles sont nécessaires pour favoriser la guérison. De plus, la structure poreuse du biomatériau ressemble beaucoup à la « matrice extracellulaire », qui est comme l’échafaudage auquel les cellules « s’accrochent » dans le corps. Les biomatériaux peuvent être utilisés seuls comme traitement ou, comme dans l’exemple ci-dessus, ils peuvent être modifiés pour contenir des médicaments ou des cellules pour aider à réparer les tissus endommagés (figure 1). Par exemple, les biomatériaux peuvent être utilisés pour aider à guérir et à réparer le cœur après une crise cardiaque. Ils peuvent être utilisés seuls, ou ils peuvent contenir des cellules souches, qui sont des cellules qui ont la capacité de devenir différents types de cellules, y compris les cellules cardiaques. Certains biomatériaux peuvent être préparés à se décomposer une fois la guérison terminée. Des biomatériaux peuvent également être fabriqués pour libérer certains médicaments qui peuvent aider au processus de guérison. Les développements futurs des biomatériaux pourraient conduire à la production de nombreuses nouvelles thérapies, y compris des organes artificiels. Cela éliminerait la longue liste d’attente pour les greffes d’organes.

 Figure 1 - Biomatériaux pour la réparation des tissus et des organes.
  • Figure 1 – Biomatériaux pour la réparation des tissus et des organes.
  • Les biomatériaux peuvent contenir des cellules (en haut) ou être utilisés par eux-mêmes chez le patient (en bas). Après un certain temps de guérison, les deux types de biomatériaux pourraient aider le tissu endommagé à retrouver ses fonctions et ses propriétés saines.

Les biomatériaux Peuvent Aider à Guérir les Organes Non Cicatrisants

Les organes échouent pour de nombreuses raisons différentes, souvent en raison d’une combinaison de facteurs. Le cœur est l’un des organes les plus communs à l’échec et l’un des plus difficiles à guérir. Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont un terme utilisé pour désigner les maladies qui affectent le cœur et les vaisseaux sanguins. Les patients atteints de MCV risquent d’avoir des crises cardiaques, ce qui peut causer des dommages importants au cœur et la mort des cellules cardiaques. Ces dommages entraînent une perte du muscle cardiaque, composé de cellules battantes appelées « cardiomyocytes. »La perte de cardiomyocytes diminue la capacité du cœur à pomper le sang dans tout le corps. Nous avions l’habitude de croire que les cardiomyocytes n’étaient pas capables de se régénérer. Cependant, il a été récemment découvert que les cardiomyocytes ont une certaine capacité à se régénérer. Alors que nous en apprenons encore sur les capacités de régénération du corps humain, de nombreux organes, comme le cœur, sont lents à guérir, ce qui rend les dommages causés à ces organes difficiles à traiter. La transplantation est une option pour remplacer un tissu ou un organe endommagé. Cependant, il y a une grave pénurie d’organes disponibles pour la transplantation. Au Canada, environ cinq patients meurent chaque semaine en attente d’une greffe d’organe. Comme alternative à la transplantation d’organes, la médecine régénérative est prometteuse en tant que thérapie pour réparer le cœur et d’autres organes à guérison lente, comme le montre la figure 2.

 Figure 2 - Médecine régénérative pour le cœur.
  • Figure 2 – Médecine régénérative pour le cœur.
  • Comme alternatives à la transplantation cardiaque, les thérapies régénératives pour le cœur comprennent la thérapie cellulaire utilisant des cellules souches adultes (en haut à gauche), des biomatériaux (en haut à droite) et des interventions pharmacologiques (médicaments) (en bas).

Mais Attendez Are Y A-T-Il Des Limites?

Bien que les biomatériaux soient très prometteurs, ils sont encore une thérapie en développement; leur plein potentiel reste à explorer. Certaines limites des biomatériaux ont à voir avec la façon dont ils interagissent avec le corps du patient. Par exemple, alors que les biomatériaux sont capables d’imiter l’environnement 3D de l’organe ou du tissu qu’ils réparent, les biomatériaux sont toujours différents de l’organe réel, ce qui peut limiter la régénération tissulaire. Par exemple, les biomatériaux placés dans le cœur doivent pouvoir se contracter avec le cœur qui bat, ou ils peuvent provoquer des battements cardiaques irréguliers. De plus, dans le passé, les biomatériaux n’ont pas permis à suffisamment d’oxygène de circuler dans le cœur pour le maintenir en bonne santé. Enfin, jusqu’à présent, les biomatériaux n’ont pu réparer qu’une zone d’environ un quart de la taille du cœur, donc dans le cas d’une crise cardiaque importante qui endommage davantage le cœur, ils ne sont pas aussi utiles. À mesure que les scientifiques continueront d’en apprendre davantage sur les causes sous-jacentes des maladies, ils seront en mesure de développer de nouveaux biomatériaux pour traiter davantage de maladies. De plus, les biomatériaux eux-mêmes continuent de progresser, ce qui, espérons-le, conduira à des matériaux capables de traiter avec succès un large éventail de maladies.

Les autres limitations des biomatériaux ne sont pas tant physiques mais impliquent des questions d’éthique (valeurs et règles morales) et de lois entourant leur utilisation. Il y a des préoccupations éthiques concernant le type de matériaux utilisés, et d’où ils viennent, par exemple, est-il éthique d’utiliser des matériaux prélevés sur des humains pour fabriquer ces matériaux?

Deuxièmement, il peut être difficile de réguler les biomatériaux pour s’assurer qu’ils sont sans danger pour les patients, car il existe un large éventail de biomatériaux, composés de différents composants et utilisés à des fins différentes. Nous avons besoin de meilleures façons de nous assurer que ces nouvelles thérapies sont efficaces pour régénérer les organes et les tissus endommagés, d’une manière qui ne nuit pas au patient.

Conclusion

Des progrès significatifs ont été réalisés dans le domaine des biomatériaux et de la médecine régénérative, mais de nombreux progrès peuvent encore être réalisés. La prochaine génération de scientifiques doit continuer d’apprendre et de comprendre les interactions entre le corps humain et les biomatériaux, afin de développer de nouvelles thérapies plus efficaces.

Glossaire

Régénération : Repousse.

Poreux: Petits trous pour laisser passer l’air, les liquides et même les cellules.

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

EA et ES remercient tous les stagiaires qui ont travaillé dans leurs laboratoires et qui ont joué un rôle clé dans le développement de nouveaux matériaux pour la réparation des organes et qui ont également contribué à mieux comprendre les interactions cellule-biomatériau sous-jacentes. Les auteurs tiennent également à remercier les organismes de financement canadiens CRSNG (EE), IRSC (EE et ES), ainsi que l’Institut de cardiologie de l’Université d’Ottawa. CL remercie une bourse de la Reine Elizabeth II pour M.Sc . études .

Steinhauser, M. L., et Lee, R. T. 2011. Régénération du cœur. EMBO Mol. Med. 3:701–12. doi: 10.1002/emmm.201100175

Chaudhuri, R., Ramachandran, M., Moharil, P., Harumalani, M. et Jaiswal, A. K. 2017. Biomatériaux et cellules pour l’ingénierie des tissus cardiaques: choix actuels. Mater. Sci. Eng. C 79:950-7. doi: 10.1016/j. msec.2017.05.121

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Canon, B. 2013. Maladies cardiovasculaires : biochimie au comportement. Nature 493: S2–S3. doi: 10.1038/493S2a

Don de sang, d’Organes et de tissus: Canada.ca (2018). Disponible en ligne au : https://www.canada.ca/en/public-health/services/healthy-living/blood-organ-tissue-donation.html#a32

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