Le vieillissement croissant de la population canadienne aura une incidence, dans les années à venir, sur les risques de fractures ostéoporotiques et autres pathologies de l'os. Parmi ces risques, les fractures avec pertes osseuses présentent des défis considérables et causent un lourd fardeau économique. La société Ostéoporose Canada estime que plus de 30 milliards de dollars seront dépensés pour le traitement de l’ostéoporose et de leurs fractures associées d’ici 2018. La méthode de comblement des pertes osseuses standard actuelle, soit l'autogreffe, est limitée et présente des risques pour le patient. À titre d'alternative, deux stratégies ont été jusqu'à maintenant étudiées: les systèmes de libération de facteurs de croissance (« growth factor delivery systems », GFDS) et le développement de matériaux biomimétiques. Ces deux stratégies ont comme point commun l'utilisation de facteurs de croissance ostéogéniques comme les protéines morphogénétiques osseuses (BMPs), telles la BMP-2 (référence commerciale) et la BMP-9. Malgré leur effet important, les BMPs restent couteuses à produire. Le laboratoire de N. Faucheux a développé un peptide (pBMP-9) dérivé de la BMP-9 qui possède un effet ostéogénique démontré, mais dont les mécanismes d’action et le comportement en système de libération restent à être étudiés. Les objectifs de ce projet de recherche ont donc porté sur l’étude du comportement de cellules osseuses préostéoblastes murins (MC3T3-E1) face à ces facteurs de croissance ainsi que sur le suivi et la modélisation des cinétiques de libération du pBMP-9 à partir d’une matrice de collagène, utilisée actuellement en clinique. Le mémoire possède ainsi trois volets. Le premier volet de ces travaux a consisté à faire une revue de la littérature sur le processus de régénération osseuse endochondrale afin de bien comprendre le rôle joué par les facteurs de croissance et cerner les défis de conception d’un GFDS utilisé en régénération osseuse. Les nouvelles approches de GFDS ont été revues en détail ainsi que les principaux modèles mathématiques développés et appliqués aux molécules thérapeutiques. Cette revue de la littérature a été publiée dans Journal of Controlled Release. Le second volet de ces travaux s’est penché sur l’étude et la modélisation mathématique des cinétiques de libération du pBMP-9 à partir d’hydrogels de collagène. Les résultats expérimentaux ont mené à la rédaction d’un article qui vient d’être accepté dans la revue Journal of Controlled Release. Cette étude consistait à évaluer les mécanismes de transfert de masse impliqués dans la libération pour différentes concentrations de pBMP-9 à partir d'hydrogels de collagène. Les cinétiques de libération ont été modélisées et ont montré la présence d'interactions importantes entre le pBMP-9 et les fibres de collagène. Le troisième volet a consisté à déterminer l'effet dose de la BMP-9 et de la BMP-2 sur la capacité des MC3T3-E1 à se différencier en présence ou en absence de sérum de veau foetal (« foetal bovine serum », FBS). Ces travaux ont conduit à la rédaction d’un article qui vient d’être accepté dans la revue Tissue Engineering Part A. La BMP-9 étant jusqu'alors mal comprise, l'étude s'est penchée sur cette protéine tout en ayant comme objectif de transposer les connaissances au pBMP-9. Les résultats ont démontré que les mécanismes d'action de la BMP-9 étaient très différents de ceux de la BMP-2 en présence de FBS. Les résultats ont également permis d'établir que, à l'instar de la BMP-2, la présence de FBS potentialise fortement l'effet ostéogénique de la BMP-9. Cet effet a d’ailleurs pu être récréé par l’IGF-2. Les conclusions de ce travail favoriseront le développement de systèmes de libération ostéogéniques plus efficaces.

Le développement d’un biomatériau contrôlant précisément le comportement de cellules souches serait un avantage considérable pour des applications de médecine régénératrice et d’ingénierie tissulaire. Actuellement, le vieillissement de la population mondiale est associé à de nombreux problèmes de dégénérescence des tissus, en particulier dans le contexte osseux. Le coût annuel des opérations chirurgicales orthopédiques pratiquées aux États-Unis s’élève à 8.2 milliards de dollars US. Afin de trouver des alternatives aux greffes traditionnelles, des biomatériaux mimant la physiologie osseuse ont été conçus. Une des stratégies consiste à préparer des matériaux biomimétiques en fonctionnalisant, par exemple, la surface des matériaux par des peptides dérivés des protéines d’adhésion de la matrice extracellulaire (ECM) tel que la fibronectine pour favoriser l’ancrage des cellules osseuses. D’autres molécules comme les protéines morphogénétiques osseuses (BMPs) jouent un rôle essentiel dans le processus physiologique de la réparation osseuse. Ces BMPs peuvent être combinées aux biomatériaux afin d’orienter la réponse des cellules osseuses et ainsi améliorer la régénération des tissus. L’utilisation de peptides dérivés des BMPs, 300 fois moins dispendieux, ajoute un avantage considérable dans le développement des matériaux biomimétiques. En outre, des relations croisées entre les récepteurs cellulaires des protéines de l’ECM et ceux des BMPs peuvent influencer la signalisation et la différenciation des cellules osseuses, d’où l’intérêt de fonctionnaliser les biomatériaux non seulement avec des molécules d’adhésion, mais aussi avec des BMPs ou leurs peptides dérivés. Dans ce projet, un biomatériau biomimétique de 3eme génération a été développé afin de permettre l’adhésion et l’orientation des cellules souches vers la lignée ostéoblastique. L’étude a consisté à analyser le potentiel de la co-immobilisation d’un peptide d’adhésion dérivé de la fibronectine (pFibro) et d’un peptide dérivé de la BMP-9 (SpBMP-9) sur un film de polycaprolactone (PCL). L’utilisation d’un peptide négatif du SpBMP-9, le NSpBMP-9, a permis de vérifier les effets synergiques potentiels de cette co-immobilisation. Dans un premier temps, l’attachement et l’organisation du cytosquelette des cellules ont été déterminés par un immunomarquage des protéines du cytosquelette. Puis la cinétique d’activation de la voie de signalisation Smad impliquée dans la différenciation ostéoblastique a été analysée par immunobuvardage de type Western. Afin de vérifier la différenciation des cellules souches vers un phénotype défini, l’expression de gènes codant pour des marqueurs de différenciation ostéogénique (Runx2, Ostérix), chondrogénique (Sox9) et adipogénique (PPARγ) a également été évaluée par des immunobuvardages de type Western. Ce projet de recherche a amélioré les connaissances actuelles sur les interactions entre les biomatériaux co-fonctionnalisés par des peptides d’adhésion et dérivés de la BMP-9 et les cellules osseuses, afin de potentialiser les propriétés ontéoconductive, ostéointégrative et ostéoinductive essentielles pour obtenir un matériau biomimétique efficace.

La régénération des défauts osseux de taille critique reste un défi majeur pour la santé. Les limitations des greffes de tissus communes nous ont incités à développer une alternative synthétique basée sur la construction d’un biomatériau, des facteurs ostéoinductifs et des cellules souches. Pour la construction du biomatériau, nous nous sommes concentrés sur les microporteurs polymères poreux, car ils supportent une expansion cellulaire à grande échelle et un assemblage modulaire des tissus, contournant deux goulots d'étranglement importants pour la traduction clinique. Pour assurer l'approvisionnement industriel et l'approbation réglementaire, nous avons conçu une méthode de fabrication sans solvant organique basée sur la cristallisation sphérulitique du poly(L-lactide) (PLLA) dans ses mélanges avec du polyéthylène glycol (PEG). Les sphérulites de PLLA ont été facilement récupérées sous forme de microporteurs en éliminant par rinçage le PEG soluble dans l'eau. Leur taille et leur porosité pourraient être contrôlées indépendamment en ajustant le rapport PLLA / PEG et la température de cristallisation. La biocompatibilité et l'ostéoconductivité des microporteurs à PLLA ont été confirmées par l'expansion et la différenciation ostéogénique des cellules souches adipeuses humaines (hASC). Comme cette dernière fonction hASC est sensible à différents paramètres de culture, nous avons ensuite utilisé l'approche de conception d'expériences pour leur dépistage rapide. En combinaison avec l'analyse à haut débit, nous avons identifié plusieurs paramètres ayant une influence marquée sur leur différenciation ostéogénique. Enfin, pour la délivrance de facteurs ostéoinducteurs, nous avons élaboré des multicouches de polyélectrolytes (PEM) à base de poly (L-ornithine) et d'acide hyaluronique biocompatibles. Ces PEM ont été caractérisées en termes de croissance, de morphologie, d'aptitude à incorporer des protéines morphogénétiques osseuses (BMP) et à fonctionner en tant que revêtements sur des microporteurs à PLLA. Nos résultats préliminaires ont montré que l’incorporation de BMP dans les PEM avait un effet important sur l’adhérence des hASC. Bien que des études supplémentaires soient nécessaires, les microporteurs à PLLA recouverts de PEM chargés de BMP et ensemencés avec hASC pourraient être un implant synthétique prometteur pour une régénération osseuse améliorée. / The regeneration of critical-sized bone defects remains a major healthcare challenge. The limitations of common tissue grafts prompted us to develop a synthetic alternative based on a biomaterial construct, osteoinductive factors and stem cells. For biomaterial construct, we focused on porous polymeric microcarriers as they support large-scale cell expansion and modular tissue assembly, circumventing two important bottlenecks for clinical translation. To insure industrial supply and regulatory approval, we designed an organic-solvent-free method for their fabrication based on the spherulitic crystallization of poly(L-lactide) (PLLA) in its blends with polyethylene glycol (PEG). The PLLA spherulites were easily recovered as microcarriers by rinsing away the water-soluble PEG. Their size and porosity could be independently controlled by tuning the PLLA/PEG ratio and crystallization temperature. The biocompatibility and osteoconductivity of PLLA microcarriers were confirmed through the expansion and osteogenic differentiation of human adipose stem cells (hASCs). Because the latter hASC function is sensitive to different culture parameters, we then used the Design of Experiments approach for their rapid screening. In combination with high-throughput analysis, we identified several parameters that had a pronounced influence on their osteogenic differentiation. Finally, for the delivery of osteoinductive factors, we elaborated polyelectrolyte multilayers (PEM) based on biocompatible poly(L-ornithine) and hyaluronic acid. These PEMs were characterized in terms of their growth, morphology, the ability to incorporate bone morphogenetic proteins (BMP) and to function as coatings on PLLA microcarriers. Our preliminary results showed that the incorporation of BMPs inside PEMs had a strong effect on hASC adhesion. While further studies are needed, hASC-seeded PLLA microcarriers coated with BMP-loaded PEMs could be a promising synthetic implant for improved bone regeneration.