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Le corail, un greffon osseux : utopie ou réalité ?
Auteur : Dagrenat, Charline Promoteur(s) : Gabriel, Annick
Faculté : Faculté de Médecine Vétérinaire Diplôme : Master en médecine vétérinaire Année académique : 2019-2020
URI/URL : http://hdl.handle.net/2268.2/9680
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LE CORAIL, UN GREFFON OSSEUX UTOPIE OU RÉALITÉ ?
CORAL, A BONE GRAFT UTOPIA OR REALITY?
Charline DAGRENAT
Travail de fin d’études
Présenté en vue de l’obtention du grade de Médecin Vétérinaire
ANNÉE ACADÉMIQUE 2019/2020
LE CORAIL, UN GREFFON OSSEUX UTOPIE OU RÉALITÉ ?
CORAL, A BONE GRAFT UTOPIA OR REALITY?
Charline DAGRENAT
Tuteur : Pr Annick Gabriel
Département de morphologie et pathologie (DMP) / Anatomie des animaux domestiques
Fundamental and Applied Research for Animals and Health (FARAH) / santé publique vétérinaire
Travail de fin d’études
Présenté en vue de l’obtention du grade de Médecin Vétérinaire
ANNÉE ACADÉMIQUE 2019/2020
LE CORAIL, UN GREFFON OSSEUX UTOPIE OU RÉALITÉ ?
OBJECTIFS DE TRAVAIL :
L’objectif de ce travail a été de comparer les similitudes entre l’os et le corail et d’évaluer si le corail peut être considéré comme une alternative à un greffon osseux avec une tolérance proche de l’autogreffe.
La comparaison anatomique et histologique de l’os vis-à-vis du corail, à travers des recherches scientifiques, a eu pour objet de définir si le corail présentait les caractéristiques nécessaires et suffisantes pour pouvoir être considéré comme un greffon osseux de qualité. L’association du corail avec d’autres éléments afin de se rapprocher au maximum des caractéristiques de l’autogreffe a également été explorée.
RÉSUMÉ :
L’autogreffe reste la référence en matière de greffon osseux, mais elle n’est pas toujours possible ou aisée à mettre en œuvre, raison pour laquelle des études ont été entreprises afin de trouver d’autres types de greffon.
Le corail, animal bien connu pour son anatomie atypique, possède des similitudes intéressantes avec l’os, ce qui a suggéré son utilisation en tant que greffon osseux. La biominéralisation du corail permet en effet la formation d’un squelette calcaire comparable au tissu osseux.
Par ailleurs, le corail, de par son pouvoir ostéoconducteur permettant la migration de différents types cellulaires au travers du greffon, et de par sa facilité de dégradation pour laisser place à l’os nouvellement synthétisé, pourrait être considéré comme le greffon osseux idéal.
En revanche, le corail ne présente pas de pouvoir ostéoinducteur (ce qui correspond aux changements cellulaires des cellules pluripotentes primitives et indifférenciées en cellules ostéogéniques et à la formation d’ostéoblastes), pouvoir permettant la régénération osseuse qui est l’une des caractéristiques indispensables à la greffe. L’association avec d’autres éléments
s’avère alors nécessaire. Les cellules adipeuses ou mésenchymateuses, ou des facteurs de croissance, sont des éléments susceptibles de pallier à cette absence de pouvoir ostéo-inducteur.
Il existe plusieurs espèces de coraux, et certaines sont plus aptes que d’autres à pouvoir devenir des greffons osseux. Mais un des freins à l’utilisation du corail en tant que greffon est le fait qu’il s’agit d’une espèce en voie de disparition, et que sa production est limitée et dépendante du milieu naturel dans lequel il évolue.
C’est pourquoi un corail artificiel, imitant la structure squelettique du corail naturel, a été substitué. Ce greffon synthétique permet de contrôler la composition des minéraux, et d’accélérer une croissance qui dans la nature se trouve très lente chez cet animal.
CORAL, A BONE GRAFT UTOPIA OR REALITY?
AIM OF THE WORK
The aim of this work is to study the similarities between bones and corals and to evaluate if corals can work as a bone graft with a tolerance close to the autografts.
The comparison of the anatomy and the histology of both bones and corals through scientific researches aims to determine if the coral presents all of the characteristics necessary to be a quality bony graft. The alliance of corals with other types of cells is also explored in order to obtain characteristics as close as possible as those of the autografts.
SUMMARY
Autografts are the reference when it comes to bony grafts. However, they aren’t always possible or easy to do thus studies have been made in order to find other types of grafts.
Corals are animals known for their unique anatomy, but they also possess interesting similarities with bones which allows us to possibly use them as bony grafts. The histology and biomineralization of the coral create a limestone skeleton that resembles bony tissues.
With their osteoconductor powers, corals are an ideal bony graft because they let migrate through the graft different cellular types and let them easily deteriorate to leave place to the newly synthesised bone.
However, corals do not have osteoinductor powers which allows bone regeneration, an important characteristic necessary to grafting. Combining corals with other cells becomes therefore mandatory. Indeed, fat cells or mesenchymal cells, and growth factors palliate the absence of osteoinductor powers in corals.
Many species of corals exists, but some are more prone to become bony grafts then others. For instance, natural coral cannot be used as a graft because it is an endangered species whose production is limited and dependant on the natural habitat in which it evolves. Hence why artificial corals imitating the skeletal structure of the natural coral are preferred. This synthetic graft can control the mineral composition and increase the growth which is very slow for this animal in its natural environment.
Remerciements :
Mes remerciements au Docteur Annick Gabriel, pour son aide lors de ce travail, ainsi que ses conseils bienveillants.
Mes remerciements à mes parents pour leur soutien constant et inébranlable.
Mes remerciements à mes meilleurs amis Chloé et Maxence qui ont toujours été présents pour moi.
Mes remerciements à mes plus belles rencontres, Aurore, Laura, Tessa qui m’ont permis de passer des moments inoubliables.
Mes remerciements à mon oncle Jean-Claude pour la découverte des fonds marins.
Table des matières
Introduction : ... 8
1. Comparaison entre l’os et le corail ... 9
1.1. Le corail ... 9
1.1.1. Anatomie ... 9
1.1.2. Histologie ... 10
1.1.3. Formation du squelette : la biominéralisation ... 11
1.2. Similitudes et différences comparatives avec l’os ... 12
1.2.1. L’os ... 12
1.2.2. Similitudes ... 13
1.2.3. Différences ... 14
2. Le greffon ... 15
2.1 Les différents greffons ... 15
2.1.1. Le greffon idéal ... 15
2.1.2. L’autogreffe ... 15
2.1.3. L’allogreffe ... 16
2.1.4. La xénogreffe ... 16
2.1.5. Tableau récapitulatif ... 17
2.2. Le greffon de corail ... 17
2.2.1. Ostéoconduction du corail : porosité, interconnexions et rugosité ... 17
2.2.2. Biorésorption ... 19
2.2.3. La mécanique du corail ... 20
3. La greffe et les greffons ... 22
3.1. Les différents types de corail naturel utilisables ... 22
3.1.1. Les coraux porites ... 22
3.1.2. Les coraux acropora ... 22
3.1.3. Les coraux goniopora ... 23
3.1.4. Le corail naturel avec ostéoblastes ... 25
3.2. Le corail modifié ... 25
3.2.1. Évolution du corail naturel ... 25
3.2.2. Place des biomatériaux ... 26
3.3. Les différentes associations ... 31
3.3.1. Le corail associé aux cellules mésenchymateuses ... 31
3.3.2. Le corail associé au tissu adipeux ... 34
3.3.3. Le corail associé aux facteurs de croissance ... 37
3.3.4. L’agrégation au corail d’un facteur de croissance et de cellules mésenchymateuses ... 42
3.4. Les règles de bonnes pratiques ... 45
Conclusion ... 47
Bibliographie : ... 48
Articles : ... 48
Livres: ... 50
Introduction :
L’os est un tissu conjonctif particulier, il se remanie constamment du fait des cellules qui le composent. Il est en perpétuel métamorphose pour pouvoir répondre aux besoins de l’organisme.
Mais ce tissu osseux peut également être altéré, que ce soit par des traumatismes ou suite à d’autres pathologies. Cette altération peut conduire à un déficit osseux important et nécessiter alors une greffe osseuse.
L’autogreffe reste la référence depuis de nombreuses années car ce type de greffon est bien toléré par l’animal. Mais l’autogreffe présente néanmoins des inconvénients comme le fait d’être un greffon de petit volume, de nécessiter une intervention lourde avec une incision double, ou de présenter un risque de morbidité important.
C’est pourquoi depuis ces dernières années de nombreux autres types de greffe envisageables ont été étudiés afin de rechercher un greffon similaire à l’os, certains de ces greffons nécessitant une modification synthétique pour se rapprocher de la structure particulière du tissu osseux.
Des études ont ciblé des supports multiples comme le bois de cerf, l’impression 3D, différentes espèces marines (éponges, algues rouges …) mais c’est le corail qui s’est révélé être le plus prometteur grâce à ses nombreuses similitudes avec l’os. Les premières recherches pour les animaux datent des années 70 et ne débutent que 10 ans plus tard pour l’homme.
L’objet de ce travail est d’étudier si le corail peut présenter des caractéristiques similaires à l’autogreffe, et être considéré comme un greffon autologue efficace. L’anatomie, l’histologie, ainsi que les similitudes et les différences entre l’os et le corail, sont étudiées et comparées dans la première partie de ce travail. La seconde partie décrit les différents types de greffon de corail.
La dernière partie évoque la nécessité d’associer le corail à différents éléments afin d’obtenir un greffon de qualité.
1. Comparaison entre l’os et le corail
1.1. Le corail
Le corail est souvent associé à des lieux paradisiaques, aperçu dans les profondeurs des mers et faisant le bonheur de nombreux plongeurs. Mais qu’est-il vraiment ?
Il fut d’abord considéré comme un minéral puis assimilé au monde végétal. Son état statique et ses nombreuses variétés de couleurs et de formes n’ont pas aidé à sa classification.
Ultérieurement le corail fut classé dans le règne animal, comme appartenant à l’embranchement des cnidaires (J. Bowen, 2015).
Il existe deux types de coraux : les coraux mous (alcyonaires) et les coraux durs (scléractiniaires). Ces derniers possèdent un exosquelette les rendant intéressants pour une greffe osseuse (Falini et al., 2015).
1.1.1. Anatomie
Les coraux sont caractérisés par une symétrie radiale. Ils peuvent être solitaires ou vivre en colonies. A plusieurs, ils sont reliés entre eux par un tissu nommé coenosarc (Figure 1), ce dont les coraux solitaires sont démunis.
Le corail se distingue par son polype qui est sa principale caractéristique anatomique. Il s’agit d’une structure en forme de sac avec une bouche centrale entourée de tentacules et d'une colonne constituant le corps principal.
Malgré le coté extracellulaire du squelette, ce dernier n’est pas en contact direct avec l’eau, étant protégé par le polype et le coenosarc.
La morphologie du squelette du corail est variable en fonction des espèces, et dépend également de la génétique. Mais cette morphologie peut aussi varier en fonction de l’environnement.
(Tambutté et al., 2011).
Figure 1 : Anatomie du corail (Tambutté et al., 2011)
1.1.2. Histologie
Le tissu en contact avec l’eau de mer est appelé tissu buccal, ce dernier étant composé de cnidocytes, de mucocytes et de cellules épithélio-musculaires (Tambutté et al., 2011).
Le tissu en contact avec le squelette est le tissu aboral, également appelé tissu squelettique. Il se compose de cellules calicoblastiques et de desmocytes (Figure 2) (Tambutté et al., 2011).
Les cellules calicoblastiques recouvrent le squelette de calcaire. Elles ont la particularité de sécréter de l’aragonite qui va se calcifier et permettre ainsi la formation de l’échafaudage squelettique (Demers et al., 2002).
Ce sont les seules cellules responsables de la synthèse et de la sécrétion de la matrice organique.
Elles permettent également le contrôle de l’entrée et de la sortie des ions pour la formation du squelette (Tambutté et al., 2011).
Les calicoblastes peuvent varier de taille, oscillant entre 10 µm et 100 µm. Cette variation est due aux différents stades de la squelettogenèse (formation du squelette par l’intermédiaire d’éléments de l’eau environnante et de cellules spécialisées). Les cellules se chevauchent les unes aux autres (Falini et al., 2015).
Les desmocytes quant à elles, permettent le raccordement entre les calicoblastes et le squelette (Tambutté et al., 2011).
Entre ces deux types de cellules coexistantes dans le tissu squelettique se trouve la matrice organique, dont la dénomination varie selon les publications scientifiques (Tambutté et al., 2011).
L’édification de l’exosquelette du corail est diurne, permettant aux coraux d’avoir une position fixe et rigide. Cette édification du squelette est similaire à la formation de l’os (Demers et al., 2002).
La matrice contient des lipides, des protéines, ainsi que des polysaccharides dont la proportion varie en fonction des différentes espèces de coraux (Falini et al., 2015).
Figure (2) : Histologie du corail (Tambutté et al., 2011)
1.1.3. Formation du squelette : la biominéralisation
La biominéralisation (production de minéraux par des organismes vivants) est une étape cruciale dans la vie du corail, car il s’agit de l’étape qui va permettre la formation du squelette de l’animal (Tambutté et al., 2011).
Cette biominéralisation, aussi appelée calcification suite à l’inclusion de calcium dans le procédé, est un processus biologique et géochimique générant la formation des récifs coralliens.
La principale source d’ions pour la calcification corallienne se situe dans l’eau de mer, les ions devant traverser les différentes couches musculaires pour atteindre le site responsable de la calcification.
Le transport d’ions peut se faire par diffusion, par transporteurs actifs ou les deux. La voie par transporteurs actifs est la plus utilisée pour la formation du squelette.
Les polypes absorbent les ions calcium et l’acide carbonique présents dans l’eau de mer et, par l’intermédiaire de deux réactions, donnent des cristaux d’aragonite de calcium :
Ca2++2HCO3-ß> (CO3H)2Ca (CO3H)2Ca ß>CO3Ca+CO3H2
Le squelette se forme en plusieurs couches car ces réactions ont lieu à plusieurs reprises entrainant une croissance pas à pas des fibres cristallines (Falini et al., 2015).
A partir des fibres d’aragonite, le squelette croît, soit de manière verticale, soit de manière horizontale (Ramos-Silva et al., 2014).
1.2. Similitudes et différences comparatives avec l’os 1.2.1. L’os
Du point de vue anatomique les os forment le squelette et servent d’attaches aux muscles par l’intermédiaire des tendons fixés à l’os. Ils jouent également un rôle de protection des différents organes. L’os renferme également le tissu hématopoïétique.
Ce tissu conjonctif spécialisé possède aussi une fonction métabolique : il s’agit d’un tissu dynamique constamment remodelé sous l’effet des pressions mécaniques avec libération ou stockage de sels minéraux, assurant un rôle de réserve (Neto et Ferreira, 2018).
Du point de vue histologique, l’os est constitué de cellules et d’une matrice osseuse. Les différentes cellules composant le tissu osseux contribuent à son remodelage incessant. On distingue :
-les cellules ostéogéniques : elles se retrouvent au niveau du périoste et participent à la croissance et au remaniement osseux.
-les ostéoblastes : ils élaborent la substance osseuse et sont responsables de la minéralisation.
-les ostéoclastes : ils ont un rôle de destruction de la matrice, permettant ainsi son remodelage.
-les ostéocytes : ce sont des ostéoblastes immobilisés. Ces cellules jouent un rôle important dans le remodelage osseux et la réparation des micro-fractures. Les ostéocytes participent aussi à la régulation des ostéoclastes et des ostéoblastes (Neto et Ferreira, 2018).
La matrice osseuse est composée d’une fraction minérale, ainsi qu’une fraction organique (Neto et Ferreira, 2018).
La portion minérale qui représente à elle seule 65% de la matrice, renferme principalement des cristaux d’hydroxyapatite (HA) associés à du phosphore et du calcium. D’autres ions sont également présents dans cette portion minérale comme du sodium, du magnésium, mais en plus faible quantité (Neto et Ferreira, 2018).
La portion organique est caractérisée par du collagène de type I et des protéines (Neto et Ferreira, 2018).
1.2.2. Similitudes
Malgré le fait que les coraux et les os se forment de manière différente, il existe des analogies fonctionnelles entre la formation du squelette des coraux et la formation des os (Demers et al., 2002).
En ce qui concerne les os, ce sont les ostéoblastes qui sécrètent le collagène formant ainsi la charpente osseuse. Ces cellules synthétisent la matrice osseuse, et permettent la minéralisation, ainsi que la répartition des flux de calcium et de phosphate (Demers et al., 2002).
La synthèse de la matrice osseuse par les ostéoblastes se fait en 3 étapes : tout d’abord la production, suivie de la maturation de la matrice ostéoïde, à laquelle succédera la minéralisation (Neto et Ferreira, 2018).
Les ostéoblastes peuvent être comparés aux cellules calicoblastiques du corail, responsables de l’édification du squelette (Demers et al., 2002).
L’os spongieux quant à lui, est constitué d’une charpente interconnectée, représentée par les trabécules, dont les espaces vides sont comblés par de la moelle osseuse (Neto et Ferreira, 2018).
Pour le corail, la formation du squelette est possible grâce à sa biominéralisation qui se déroule sous forme de cycle. D’abord la synthèse d’une matrice minéralisante, qui est suivie d’une phase de cristallisation permettant à la phase minérale d’élaborer une charpente organique (Falini et al, 2015).
La structure du corail présente une similitude structurelle vis-à-vis de l’os spongieux, avec un réseau de pores et de canaux interconnectés (Pountos, et Giannoudis, 2016).
Ces réseaux et ces connexions présents aussi bien au niveau du corail que de l’os permettent aux vaisseaux sanguins de s’établir de manière équivalente dans les deux structures (Pountos, et Giannoudis, 2016).
Il s’agit d’une particularité morphologique particulièrement intéressante permettant d’envisager le corail comme possible substitut osseux (Roh et al., 2016).
Enfin la qualité la plus importante suggérant une similitude entre le corail et l’os provient de leur structure poreuse en 3D (Roh et al., 2016).
Cette structure tridimensionnelle permet aussi bien à l’os qu’au corail d’obtenir une plus grande surface interne disponible. La migration des cellules et la formation d’os à l’intérieur de la zone sont ainsi facilitées (Neto et Ferreira, 2018).
1.2.3. Différences
Les principales différences entre l’os et le corail se situent au niveau de leur composition minérale et de leur contenu organique (Demers et al., 2002).
L’os est en effet composé à 33% de composants organiques contre 1 à 1,5% pour le corail (Demers et al., 2002).
En ce qui concerne la composition minérale, l’os se compose de cristaux d’hydroxyapatite et de phosphate de calcium amorphe, couplés à du carbonate de calcium. Le corail quant à lui est composé à 97% voire à 99% de carbonate de calcium, le restant étant composé de différents oligo-éléments tels que du sodium, du magnésium, des acides aminés ou du potassium. Ces oligoéléments permettent l’activation enzymatique des cellules ostéoïdes (tissu osseux jeune encore non minéralisé). Autre différence, le fluor est beaucoup plus présent dans le corail que dans l’os, mais ceci est en fait un avantage dans le cas d’une greffe car le fluor facilite l’installation et la prolifération des ostéoblastes (Demers et al., 2002).
2. Le greffon
2.1 Les différents greffons 2.1.1. Le greffon idéal
Le substitut idéal dans le cadre d’une greffe osseuse devrait permettre : -une ostéointégration,
-une ostéoconduction (ce qui correspond à la migration de différents types cellulaires au travers du greffon et au développement de l’os à la surface de la greffe),
-une ostéoinduction (ce qui correspond aux changements cellulaires des cellules pluripotentes primitives et indifférenciées en cellules ostéogéniques, et à la formation d’ostéoblastes), -une ostéogénèse (représentée par les ostéoblastes qui permettent la synthèse du nouveau tissu osseux dans l’implant) (Neto et Ferreira, 2018).
Il devrait être également inerte, facilement disponible, et de forme et taille adaptables au vide à combler (Neto et Ferreira, 2018).
2.1.2. L’autogreffe
Les greffes autologues restent la référence en tant que greffons osseux. L’os est prélevé directement sur le patient. Ce type de greffe possède toutes les qualités demandées à un greffon osseux idéal, c’est-à-dire l’ostéoinduction, l’ostéoconduction, et les propriétés ostéogéniques vues ci-dessus.
De plus ce type de greffon est de fait la structure idéale avec son architecture tridimensionnelle et la présence de cellules viables, ainsi que du fait de l’existence de facteurs de croissance associés (BMP-2, BMP-7, bFGF, IGF et PDGF) (Neto et Ferreira, 2018).
Les vaisseaux sanguins sont prélevés avec le greffon afin de permettre l’anastomose des vaisseaux présents dans le greffon avec ceux du site d’implantation (Neto et Ferreira, 2018).
Mais cette technique présente les inconvénients de nécessiter un double acte de chirurgie et de posséder un taux de morbidité élevé : les pertes sanguines sont importantes et des séquelles de type de douleurs chroniques ou de pertes sensorielles ont été décrites. En outre ce type de greffon n’est envisageable qu’en quantité limitée et reste une intervention coûteuse (Neto et Ferreira, 2018).
2.1.3. L’allogreffe
D’autres solutions ont été envisagées pour pouvoir remédier aux défauts de l’autogreffe, comme par exemple l’allogreffe : dans ce cas le greffon provient d’un individu autre que le receveur (Neto et Ferreira, 2018).
Mais ce type de greffe présente d’autres inconvénients tels que la transmission de maladies virales, bactériennes ou des phénomènes de rejet. De surcroît la fusion entre le greffon et l’os viable est faible par rapport à celle d’une autogreffe (Neto et Ferreira, 2018).
L’allogreffe possède également des propriétés ostéoinductives et ostéoconductives, mais ses propriétés ostéogéniques sont inférieures à celles de l’autogreffe. Il n’y a pas de cellules viables dans le greffon (Neto et Ferreira, 2018).
2.1.4. La xénogreffe
Il existe encore une autre alternative : la xénogreffe. Le greffon provient alors d’une autre espèce ce qui peut permettre l’obtention d’un plus grand nombre de greffons et est bien moins onéreux (Neto et Ferreira, 2018).
Néanmoins les inconvénients comme le rejet ou la transmission de pathologies infectieuses sont majorés.
De nombreuses études ont été entreprises pour tenter de minimiser le rejet secondaire à la différence inter-espèces.
Quoi qu’il en soit, pour réduire au maximum les risques de réponses immunitaires néfastes, la chirurgie doit être particulièrement stérile, tout phénomène infectieux entrainant une perte des propriétés importantes à la prise de greffe telles que l’ostéoinduction ou l’ostéogénicité (Neto et Ferreira, 2018).
Pour obtenir une bonne xénogreffe, il est nécessaire de traiter préalablement le greffon de manière chimique et thermique afin d’éliminer tous les micro-organismes (Neto et Ferreira, 2018).
Il est à noter que le corail est l’un des rares substituts xénogéniques capable de former des liaisons chimiques avec l’os in vivo (Pountos et Giannoudis, 2016).
2.1.5. Tableau récapitulatif
Les nombreux avantages et inconvénients sont fonctions du type de greffe, pour différentes applications cliniques, variables selon les situations (figure 3).
Figure 3 : Résumé représentant les avantages et inconvénients des différents greffons (Diaz-Rodriguez et al. 2019)
2.2. Le greffon de corail
L’exosquelette de corail s’est avéré être un biomatériau compatible, facilement biodégradable mais fonction de l’espèce de corail, et possédant un bon pouvoir ostéoconducteur. Cependant il lui manque les propriétés ostéoinductives et ostéogéniques (Wu et al., 2009).
2.2.1. Ostéoconduction du corail : porosité, interconnexions et rugosité
Le corail est considéré comme un bon ostéoconducteur car il constitue un support idéal pour les facteurs de croissance, la propagation et la différenciation cellulaire. Il permet l’invasion des cellules sanguines et de la moelle osseuse, étape clé lors du processus de greffe (Wu et al., 2009).
Cette intéressante propriété du corail est liée aux pores entrant dans sa composition. L’inter- connectivité et la taille de ces derniers permettent la résorption du corail et la nouvelle synthèse osseuse. Le diamètre des pores doit être au minimum de 100 μm, mais une taille de 300-400 μm est considérée comme une taille idéale (Demers et al., 2002). En effet une macroporosité (>100 μm) permet la vascularisation, le développement des systèmes haversiens et une croissance cellulaire adéquate, mais une microporosité (<5 μm) permet quant à elle l’approvisionnement de nutriments (Mohan et al., 2018). De surcroît, une petite taille de pores majore le risque d’entrainer une nécrose tissulaire et une infection (Wu et al., 2009).
L’ouverture des porosités (interconnexion) est importante pour la nutrition et l’invasion des différentes cellules, cependant une porosité réduite allonge le temps de dégradation du corail et de l’invasion tissulaire, ce qui entraine ainsi une stabilité et un ancrage à l’os plus importants.
La connexion interne présente dans le corail permet une infiltration osseuse au centre de l’implant, contrairement aux greffons qui ne possèdent pas cette interconnexion avec comme corolaire une absence d’infiltration centrale. Néanmoins une possibilité d’infiltration périphérique existe même en l’absence d’infiltration centrale. Ainsi un processus de développement sans connexion interne est plus long voire même inefficace (Demers et al., 2002).
Ce cheminement de connexions et le grand nombre de pores permettent également d’attribuer au corail un rôle de transporteur de médicament, de gènes ou de protéines, grâce à cette facilité d’imprégnation et de dispersion dans le greffon (Green et al., 2017).
Bien qu’un échafaudage hautement poreux soit important pour être considéré comme un bon greffon, il faut également tenir compte d’autres facteurs inhérents aux pores tels que la taille et la distribution de ceux-ci, leur orientation par rapport à l’écoulement des flux, la connexion interne, la taille et la distribution des fenestrations (Puvaneswary et al., 2013).
Malgré le fait que le corail ne possède pas de propriété ostéoinductive propre, l’importance de la surface de contact avec les ostéoblastes joue cependant un rôle vis-à-vis du développement cellulaire. Les ostéoblastes prolifèrent en effet plus facilement sur une surface rugueuse que sur une surface lisse et la rugosité moyenne de l’os est de 10,228 nm contre 19,541nm pour le corail (Puvaneswary et al., 2013).
Pour de grandes cellules comme les neurones ou les ostéoblastes, la rugosité macroscopique doit être de taille raisonnable. Dans l’expérience de Puvaneswary et collaborateurs (2013) le corail a ainsi montré un excellent potentiel de différenciation ostéogénique par rapport à une autogreffe.
2.2.2. Biorésorption
Le corail a la faculté de se dégrader, mais il le fait à des rythmes différents selon l’espèce de corail considérée (Demers et al., 2002). Cette particularité au niveau de la dégradation est intéressante car celle-ci doit idéalement être synchrone de la néogénèse osseuse (Puvaneswary et al., 2013). Il est important de bien comprendre le rôle joué par cette dégradation corallienne car ce facteur peut parfois être responsable d’échecs de greffes. Le taux de résorption du corail dépend de la taille du greffon, de la porosité, du site d’implantation, et de la composition chimique (Demers et al., 2002).
La résorption de corail permet l’augmentation du nombre de cellules de moelle osseuse (Demers et al., 2002).
Le corail est composé de 3 couches de phosphate de calcium.
Au niveau de la couche externe on trouve une structure cristalline de phosphate de calcium, entourant au milieu une zone de plus faible densité corallienne et en interne une couche de densité plus importante que la précédente.
Cette présence de phosphate de calcium à la surface du corail semble attirer les ostéoclastes favorisant une dégradation du greffon sous l’action de l’enzyme anhydrase carbonique (Demers et al., 2002).
La présence de facteurs de croissance comme BMP-2 augmenterait la formation et l’activité des ostéoclastes, témoignant ainsi du rôle de ces cellules lors de la dégradation du corail. De plus l’environnement acide créé par les ostéoclastes ainsi que la présence de macrophages favorise la résorption du corail. Lors de la dissolution, près de 5% de calcium appartenant au corail se retrouve dans l’ossification nouvellement synthétisée, mais la majeure partie suit la voie physiologique du calcium (Demers et al., 2002).
Le changement physique de la surface du corail suite à sa résorption, permettrait l’apposition d’ostéoblastes actifs, ainsi que la différenciation des cellules ostéoprogénitrices. Certaines
expériences histologiques ont confirmé la présence d’ostéoblastes en surface du greffon de corail. Le corail soutient également la croissance des fibroblastes, des macrophages ainsi que des chondrocytes (Demers et al., 2002).
2.2.3. La mécanique du corail
Le greffon corallien doit également être capable de résister aux pressions mécaniques exercées au niveau de la zone d’implantation. L’étude réalisée par Hamza et collaborateurs (2013), comportant des tests de flexion sur le corail, a confirmé que ce substitut peut être envisagé en tant que greffon osseux.
Des tests de micro-dureté ont également été réalisés pour vérifier la capacité de l’implant à supporter des charges similaires à celles de l’os. Pour ces tests, les valeurs de Vickers1 (correspondant aux valeurs de dureté et comprises entre 1 et 3000) ont été mesurées. Le corail présente des valeurs variant de 138 à 167 HV, ce qui correspond à une valeur plus importante que celle de l’os de bovin (Hamza et al., 2013).
Dans l’étude de Hamza et collaborateurs (2013), d’autres expériences ont été rapportées concernant les contraintes de forces et de flexion. Ces dernières ont été évaluées par l’intermédiaire de la loi Hooke2 et du module Young3. Il en est ressorti que le corail est plus fort en compression mais plus faible en contrainte de flexion que l’os de bovin. De plus les échantillons de corail ont montré des propriétés de stress à la rupture similaires à celles de l’os.
Le module d’élasticité reste correct.
Le corail a ainsi démontré qu’il présentait certes des propriétés de traction et de flexion faibles par rapport à l’os de bovin mais une excellente contrainte de compression (Hamza et al., 2013).
1 L’indice de dureté de Vickers est un test de dureté permettant la caractérisation d’un matériau.
Le test de dureté est permis grâce à une force F exprimée en Newton sur une pyramide possédant une base carrée en diamant d’angle au sommet de 136°. La pression est maintenue pendant 15 secondes. Une mesure de la diagonale de l’empreinte qui a la forme d’un carré dans le matériau est effectuée. Une formule permet ainsi d’obtenir l’indice de dureté de Vickers.
2 Robert Hooke énonce sa loi comme « ut tensio sic vis » soit « l’allongement est proportionnel à la force ». La loi de Hooke étudie le comportement des solides par une déformation élastique de faible amplitude. Cette loi apporte des informations sur la linéarité (correspondant à l’allongement qui est proportionnel à la force) et sur l’élasticité (un effet réversible peut revenir à la normale).
Les propriétés mécaniques sont dépendantes du sens de croissance du corail. Le corail croît préférentiellement de manière verticale, mais un développement horizontal permet une meilleure résistance. Toutes les propriétés mécaniques de l’os de bovin et du corail ont été évaluées en fonction de leur porosité, cristallinité, composition, taille et forme (Hamza et al., 2013).
D’après Demers, C. et collaborateurs (2002), les propriétés mécaniques seraient également dépendantes de la zone d’implantation car le corail pourrait être insuffisant en termes de contraintes mécaniques pour supporter une lourde charge, par exemple au niveau du calcanéum.
L’intégrité mécanique pourrait cependant être compensée par la formation synchrone d’os natif lors de la résorption du corail.
3. La greffe et les greffons
3.1. Les différents types de corail naturel utilisables
Parmi les espèces de corail présentant une architecture similaire à l’os, les espèces Porites, Goniopora, Acropora sont les plus intéressantes. Ces trois espèces sont des coraux massifs, intéressants de par leur perméabilité élevée, l’importance de leurs pores et leur disponibilité (Wu et al., 2009).
Leurs morphologies internes différentes influencent la qualité du greffon et ces différences se retrouvent surtout au niveau de la taille des pores (Wu et al., 2009). Plus la taille des pores est importante, plus la résorption du corail sera grande, plus l’apport de nutriment et d’oxygène sera augmenté vers l’intérieur du greffon (Du et al., 2015).
Quand le lien entre le greffon et le fluide corporel est augmenté, l’adhésion et la prolifération cellulaire sont favorisées. Cependant si la taille des pores est trop grande, la résistance mécanique devient plus faible (Du et al., 2015).
Il faut donc arbitrer entre ces différentes propriétés pour sélectionner un corail en tant que greffon osseux le plus idéal possible (Wu et al., 2009).
3.1.1. Les coraux porites
Les coraux porites possèdent une structure homogène et une taille de pores constante (Pountos et Giannoudis, 2016). Cependant ils ont une porosité moyenne. Ils présentent la particularité d’avoir la résistance à la compression la plus élevée du fait de leurs pores de petites tailles et de leur porosité (figure 4) (Wu et al., 2009).
3.1.2. Les coraux acropora
Les coraux acropora quant à eux possèdent des pores de grandes tailles, orientés et irréguliers.
Ils possèdent une perméabilité intéressante grâce à une bonne organisation de leurs pores : les pores sont orientés dans la même direction ce qui améliore la conductivité du fluide, mais nuit à l’écoulement vertical. Ils sont plus solides d’un point de vue mécanique suite à l’organisation
de leurs pores qui diffère de celle des autres espèces. Cependant ils possèdent une porosité plus faible (figure 4, Wu et al., 2009).
Les coraux acropora tout comme les coraux porites peuvent agir en tant que système de distribution des cellules mésenchymateuses et possèdent de meilleures propriétés ostéogéniques comparées à des échafaudages témoins (Green et al., 2017).
3.1.3. Les coraux goniopora
Les coraux goniopora ont la particularité d’avoir deux types de pores et une structure désordonnée (Pountos et Giannoudis, 2016). Seuls les coraux possédant des pores de 100 μm de diamètre et constituant plus de 20% de l’animal sont considérés comme viables (Green et al., 2017).
Les pores sont connectés de façons longiligne et transversale, permettant une invasion rapide des vaisseaux et du nouveau tissu osseux (Demers et al., 2002). Ils ont également une forme arrondie les rendant massifs (Wu et al., 2009).
Les coraux goniora et porites ont une porosité similaire à celle de l’os spongieux et n’ont pas montré d’influence secondaire à l’orientation de leurs pores (figure 4) (Wu et al., 2009).
Figure 4 : Comparaisons macro et microscopiques des 3 espèces de coraux (Wu et al., 2009) a) Coraux Acropora
b) Coraux Goniopora c) Coraux Porites
1) Les différents coraux dans leur environnement naturel 2) Aspect 2D de la structure corallienne,
3) Aspect 3D de la structure corallienne des 3 coraux reconstruite par micro-CT
3.1.4. Le corail naturel avec ostéoblastes
Le comportement de la fixation des cellules ainsi que leur migration dépendent de la composition chimique de surface voire de l’échafaudage lui-même et ce quelque soit le matériau considéré (Puvaneswary et al., 2013).
Dans l’article de Wu et collaborateurs (2009), des ostéoblastes ont été déposés sur différents coraux pour étudier leur réaction. Les cellules se sont accrochées et développées mais des formes variables ont été mises en évidence selon les espèces de corail.
-pour les coraux acropora, la texture est devenue rugueuse,
-sur les coraux goniopora les cellules étaient allongées voir plates,
-et les ostéoblastes présents sur les coraux porites présentaient une forme polygonale.
3.2. Le corail modifié
3.2.1. Évolution du corail naturel
Le corail naturel est impacté par l’environnement écologique. La pollution et l’acidification ont entrainé une diminution de la calcification des coraux depuis au moins 30 ans (Wu et al., 2009).
Les coraux dans leur milieu naturel ont de base une croissance très lente (Du et al., 2015), et une disparition des coraux est à craindre (Pountos et Giannoudis, 2016).
De nos jours, les coraux naturels, notoirement modifiés par le changement climatique, évoluent vers un blanchiment de l’espèce et une surmortalité (Demers et al., 2002).
Le prélèvement des coraux à visée thérapeutique, alors qu’une disparition des coraux de l’écosystème est à craindre, pose des questions éthiques quant à leur utilisation en tant que substrat de greffon osseux (Wu et al., 2009).
Par ailleurs le corail naturel contient des molécules toxiques pour l’organisme (Wu et al., 2009):
il peut contenir des métaux lourds tels que l’arsenic, le plomb, le cadmium, le chrome, le cobalt, l’argent et le mercure. La présence de ces molécules toxiques au sein du corail naturel peut être source de toxicité pour l’organisme receveur (Chotimah et al., 2014).
C’est pourquoi l’aquaculture a été envisagée comme une alternative au corail naturel, en permettant un contrôle de la croissance des coraux ainsi que des conditions environnementales dans lesquelles l’animal vit. Outre l’absence de molécules toxiques, il est également possible d’enrichir la structure par l’ajout d’ions de silicate ou de phosphate afin d’obtenir une bio- activité plus élevée du produit final (Diaz-Rodriguez et al., 2019).
Le corail d’aquaculture peut de surcroît être transformé ultérieurement en un autre type de biomatériau (Green et al., 2017).
3.2.2. Place des biomatériaux
D’après Neto et Ferreira (2018) un biomatériau est défini comme une substance, autre qu’un médicament, ou une combinaison de substances, d'origine synthétique ou naturelle, qui peut être utilisée pour une période déterminée, dans son ensemble ou dans le cadre d'un système qui traite les tissus, les organes ou une fonction de l'organisme.
Un type de corail modifié est actuellement commercialisé sous le nom de Pro-ostéon. Il est fabriqué à partir des coraux goniopora et porites (Pountos et Giannoudis, 2016).
Le Pro-ostéon permet d’obtenir une quantité importante de coraux à visée thérapeutique, sans dépendance environnementale. L’aquaculture corallienne permet ainsi de répondre à la demande médicale (Green et al., 2017).
Des échafaudages d’hydroxyapatite sont formés à partir de l’exosquelette appartenant au corail naturel, par une conversion hydrothermale permettant la transformation du carbonate de calcium en phosphate de calcium structuré (Nandi et al., 2015).
La conversion est permise après un nettoyage des coraux, suivi d’une cuisson de ces derniers à hautes températures. Les coraux sont trempés dans une solution d’hydrogénophosphate de diammonium, et de dihydrogénophosphate de potassium, et autoclavés à 150 ° C pendant 8 jours, puis frittés à 1250 ° C (Nandi et al., 2015).
Le corail sous forme d’hydroxyapatite est un greffon ostéoconducteur mais il ne possède pas de propriétés ostéoinductives à l’instar du corail naturel (Parizi et al., 2013). Le greffon est
composé de pores de 500-600 μm de long et de pores connectés entre eux de 220-260 μm de diamètre (Pountos et Giannoudis, 2016).
Le Pro-ostéon possède du calcium au centre de sa structure et est entouré de phosphate. Le calcium se dissout plus facilement que le phosphate, permettant ainsi au greffon un remodelage plus efficace par le tissu osseux (Pountos et Giannoudis, 2016).
La résorption de l’hydroxyapatite est plus lente que celle du corail, annuelle ou pluriannuelle et peut même nécessiter jusque 6 ans (Diaz-Rodriguez et al., 2019).
L’hydroxyapatite contient du carbonate : il est donc proche du minéral osseux et bénéficie du métabolisme osseux pour être remodelé. L’hydroxyapatite est efficace pour la formation d’os conducteur (Mohan et al., 2018).
En 2016, Pountos et Giannoudis ont démontré que l’hydroxyapatite permet une prolifération et une maturation des cellules mésenchymateuses.
La performance et par conséquent le succès de ce biomatériau dépendent des interactions qui se produisent avec l’organisme. Ces interactions permettent de savoir si le substrat est compatible, bien toléré, non toxique et non cancérigène (Neto et Ferreira, 2018).
Ainsi en 2012, Shafiei-Sarvestani et collaborateurs ont comparé l’hydroxyapatite et le corail en tant que greffon, couplés avec du plasma riche en plaquettes humaines (PRPh).
Leur étude portait sur trois groupes de 12 lapins :
-un groupe alimenté en plasma riche en plaquettes humaines (PRPh) soit le groupe 1, -un groupe 2 avec une greffe de corail naturel et
-un groupe 3 avec une greffe d’hydroxyapatite,
les groupes 2 et 3 étant tous deux également couplés au plasma riche en plaquettes humaines.
La principale différence relevée entre l’hydroxyapatite et le corail résidait dans le fait que le corail avait une résorption plus rapide que celle de l’hydroxyapatite. Autrement il n’y avait aucune différence significative entre les deux groupes au niveau du remaniement osseux, de la force, de la rigidité, ou de la contrainte (Shafiei-Sarvestani et al., 2012).
Le taux de formation osseuse retrouvée dans l’étude a été exprimé en pourcentage : il était de 50 à 75% pour le groupe 2, de 75 à 100% pour le groupe 3 et de 25 à 50% seulement pour le groupe1, (figure 5) (Shafiei-Sarvestani et al., 2012).
L’union osseuse a eu lieu plus tôt dans le groupe d’hydroxyapatite associé au PRPh et aucune union n’est apparue dans le groupe 1.
La néo-vascularisation dans le groupe de corail couplé au PRPh n’était pas aussi bonne que celle du groupe d’hydroxyapatite associé au PRPh, mais meilleure que dans le groupe PRPh seul. Le groupe 1 pauvre en néovascularisation révélait en outre la présence de tissu fibreux (Shafiei-Sarvestani et al., 2012).
Dans cette expérience le PRPh couplé au corail ou à l’hydroxyapatite a montré une formation osseuse significativement performante comparée au groupe PRPh seul (Shafiei-Sarvestani et al., 2012).
a)
b)
c)
Figure 5 : Radiographies des différents groupes :
a) groupe PRPh seul
b) groupe d’hydroxyapatite couplé au PRPh c) groupe corail couplé au PRPh
Radiographies prises à : -(A) : J1
-(B) : J14 -(C) : J28 -(D) : J42 -(E) : J56
(Shafiei-Sarvestani et al., 2012)
3.3. Les différentes associations
Le corail naturel ou synthétique ne possède pas toutes les propriétés de l’autogreffe, et n’est pas assez puissant, utilisé seul, pour garantir le succès d’une greffe. Le manque d’activités ostéoinductrice et ostéogénique doivent être compensées pour obtenir un greffon le plus idéal possible. Différentes associations ont été envisagées pour obtenir l’élaboration d’un tel greffon (Pountos, et Giannoudis, 2016).
3.3.1. Le corail associé aux cellules mésenchymateuses
En 2013, Manassero et collaborateurs ont étudié les coraux acropora associés à des cellules mésenchymateuses pour traiter un défaut osseux critique chez un mouton. La résorption du greffon était visible au bout de 6 mois, avec une régénération osseuse. Ils en ont conclu que les cellules mésenchymateuses associées au corail stimulaient le pouvoir ostéoinductif.
Decambron et collaborateurs en 2017, ont étudié l'utilisation des cellules mésenchymateuses (BMSC) au niveau de la régénération osseuse. Dans cette expérience les coraux acropora et porites ont été associés à des cellules mésenchymateuses. Les deux coraux ont démontré des capacités de distribution pour les cellules mésenchymateuses et des propriétés ostéogéniques supérieures aux échafaudages témoins sans cellule (Tableau 1).
Trois groupes ont été établis pour cette expérience,
-un groupe incluant sept moutons (groupe 1) qui associait des coraux de type acropora à des cellules mésenchymateuses,
-un deuxième groupe de 6 moutons qui concernait une association de cellules mésenchymateuses à des coraux de type porites (groupe 2),
-et un troisième groupe de seulement 2 moutons qui bénéficiait d’une autogreffe (groupe 3).
Une différence significative de résorption a été remarquée entre le groupe porites et le groupe acropora. A 2 mois, les coraux porites commençaient à disparaitre et à 4 mois ils n’étaient plus présents. La résorption a été beaucoup plus rapide dans ce groupe que dans le groupe des coraux acropora qui, à 4 mois, ne révélaient qu’une élimination partielle.
En ce qui concernait la néogénèse osseuse, les résultats étaient une augmentation non significative de la formation osseuse, qui était cependant plus importante dans le groupe 1 que dans le groupe 2. Sur les sept moutons du groupe acropora, deux présentaient une plus grande quantité d’os nouvellement formé en comparaison des groupe 2 et groupe 3 (figure 6).
Une fois l’union osseuse établie, la présence d’os mature et immature ainsi que la présence de cellules de type ostéoblastes et ostéocytes était visible sur l’échafaudage corallien et en périphérie des défauts osseux. L’absence d’union osseuse se traduisait quant à elle par la présence de tissu fibreux au niveau du défaut osseux.
Dans cette étude, l’échafaudage de coraux de type acropora couplés à des cellules mésenchymateuses s’est révélé être supérieur aux deux autres.
Figure 6 : Graphique reflétant la néogénèse osseuse dans les trois groupes avec notamment 2 moutons présentant une plus grande quantité d’os formé au niveau du groupe 1
(Decambron et al., 2017)
Cellules associées au corail/hydroxyapatite Cellules mésenchymateuses
Comparaison à l’autogreffe Oui
Matériels et méthodes 15 moutons sains :
-Groupe 1 : 7 moutons greffés par un corail (3x3x3 mm3) de type acropora + cellules mésenchymateuses -Groupe 2 : 6 moutons greffés par un corail de type porites (3x3x3 mm3) + cellules mésenchymateuses -Groupe 3 : 2 moutons avec une autogreffe
Défauts osseux diaphysaires métatarsiens de 25 mm de long
Les cellules mésenchymateuses proviennent de la moelle osseuse de la crête iliaque ovine, puis ensemencées sur les coraux.
Durée de l’expérience 4 mois
Suivi Radiographies : 2 fois par mois pendant toute la durée de l’expérience
Prélèvements histologiques à la fin de l’expérience
Résultats o Radiographies :
-A 2 mois post-opératoire : Biorésorption partielle du corail de type porites
-A 4 mois post-opératoire : Bioresorption totale du corail de type porites et bioresorption partielle du corail de type acropora
Différence significative de biorésorption entre les deux coraux visible
Difficulté d’analyse radiographique entre le groupe acropora et l’autogreffe, suite à la non-différenciation entre le greffon et la néoformation osseuse.
o Prélèvements histologiques :
Les greffons de type acropora ont montré une augmentation de néoformation osseuse plus
importante que le greffon de type porites. En cas de non-formation osseuse, du tissu fibreux était
remarqué.
L’autogreffe montre une meilleure croissance osseuse
Remarques 2 animaux du groupe 1, possédaient une meilleure formation osseuse que les groupe 2 et 3
Conclusions La résorption du corail joue un rôle dans la
néoformation osseuse de type acropora qui donne des bons résultats mais pour pouvoir être comparée à l'autogreffe il faut une résorption inférieure à 90% à 4 mois, le corail acropora ayant une résorption variable entre 64% et 87%
Tableau 1 : récapitulatif de l’étude de Decambron et collaborateurs en 2017
Par ailleurs le travail de Neto et Ferreira (2018) concernant des défauts osseux traités par l’association de corail et de cellules mésenchymateuses, a démontré de bonnes propriétés biomécaniques au bout de 32 semaines après l’implantation du greffon, contrairement à l’utilisation de corail seul qui n’a permis d’obtenir qu’une connexion quasiment fibreuse.
3.3.2. Le corail associé au tissu adipeux
Le tissu adipeux a la particularité de proliférer rapidement. Les cellules constituantes ont des similitudes avec les cellules souches mésenchymateuses, telles qu’une propriété de faible immunogénicité et une différenciation polymorphe (Liu et al., 2013).
Dans l’étude réalisée par Liu et collaborateurs (2013), l’efficacité du corail associé à des cellules souches dérivées du tissu adipeux a été analysée.
Des cellules adipeuses ont été ostéo-induites (cellules germinales induites par ostéogénèse) pour éviter une réaction du système inflammatoire. Une différenciation ostéogénique s’est avérée nécessaire car les ostéoblastes exprimaient le MHCI et MHCII avec d’autres molécules co-stimulantes, entrainant une forte réponse inflammatoire et le rejet du greffon. Les cellules adipeuses non différenciées réagissaient au MHCII tandis qu’au niveau des cellules différenciées aucune réaction n’apparaissait, ni avec le MHCI ni avec le MHCII. Les cellules adipeuses différenciées ostéogéniques possédaient des propriétés immunosuppressives non négligeables pour une allogreffe contrairement aux cellules adipeuses indifférenciées.
Dans cette étude, plusieurs types de greffes ont été expérimentés dans le but de trouver le substrat le plus approprié au comblement d’un déficit osseux crânial chez des beagles.
Douze beagles ont été répartis en 2 groupes, eux même subdivisés en 2 groupes, par création de défauts crâniens bilatéraux.
Groupe 1 : Défaut osseux droit comblé par des cellules adipeuses allogéniques associées au corail, et du côté gauche défaut osseux comblé par du tissu adipeux autologue couplé au corail.
Groupe 2 : Défaut osseux droit comblé par des cellules adipeuses allogéniques associées au corail, tandis que le défaut osseux gauche est comblé par du corail seul (Tableau 2).
Grâce au changement de différenciation cellulaire des cellules adipeuses, aucune réaction secondaire n’est apparue au niveau des deux groupes d’association avec le corail.
A 24 semaines post-implantation, une guérison comblant le défaut osseux était observée au niveau des deux groupes d’association. L’os régénéré par les cellules adipeuses allogéniques différenciées était équivalent à la régénération osseuse induite par les cellules adipeuses autologues. La couverture osseuse et le volume osseux étaient identiques dans les deux groupes (figure 7). De surcroît l’os nouvellement synthétisé dans les groupes de cellules mésenchymateuses allogéniques et autogéniques présentaient une similitude à l’os crânien standard.
Le tissu osseux s’est développé et a colonisé l’échafaudage corallien, avec une réparation tissulaire de l’os. Cette formation osseuse s’est avérée uniforme pour tout l’implant.
D’un point de vue histologique, la formation osseuse était caractérisée par un réseau trabéculaire typique avec des structures ostéogéniques irrégulières.
Cette étude a permis de démontrer que les cellules adipeuses associées à un biomatériau adapté comme le corail permettait la régénération du tissu osseux, sous réserve d’une différenciation des cellules adipeuses évitant une réaction inflammatoire et/ou immunologique.
Figure 7 : Défaut osseux comblé par l’association du corail à des cellules adipeuses allogéniques et autologues, mais présence d’un tissu fibreux comblant le défaut osseux pour le
corail seul, (Liu et al., 2013)
Cellules associées au corail/hydroxyapatite
Cellules souches dérivés de tissu adipeux Comparaison à l’autogreffe Non, mais comparaison cellules allogéniques et autologues
Matériels et méthodes Utilisation de 12 beagles sains répartis en 2 groupes égaux et subdivisé en côtés droit et gauche
Groupe 1 :
-A droite : cellules adipeuses allogéniques + corail -A gauche : cellules adipeuses autologues + corail Groupe 2 :
-A droite : cellules adipeuses allogéniques + corail -A gauche : corail seul
Cellules prélevées dans le tissu adipeux du donneur Prélèvements cellulaires donneurs-receveurs déterminé au hasard. Les cellules ont été associées au corail avant la greffe pour les différents groupes d’associations
Les cellules souches dérivées du tissu adipeux ont été ostéoinduites
Les échafaudages coralliens sont stérilisés par autoclave, mesurants 20 x 3 x 3 mm3
Défaut osseux bilatéral au niveau de l’os pariétal de chaque beagle, de taille 20 mm x 20 mm
Durée de l’expérience 24 semaines
Suivi CT scan, reconstruction 3D : A 12 et 24 semaines post chirurgie Prélèvements histologiques à la fin de l’expérience
Résultats o CT scan à 12 semaines
-les groupes cellules allogéniques + corail ont montré la présence de tissu osseux
-les cellules autologues + corail ont également démontré une néoformation osseuse
-Le corail seul : tissu fibreux, plus tissu corallien o CT scan à 24 semaines :
-Formation osseuse pour les groupes d’associations, il n’y avait pas de différence significative entre ces 2 groupes
-Pour le groupe sans association, il n’y avait pas de régénération osseuse
o Prélèvements histologiques à 24 semaines
-pour les groupes d’associations, la nouvelle formation osseuse est remarquée dans tout l’implant, sans réaction inflammatoire
Conclusions Pas de traitement immunosuppresseur pour les cellules allogéniques utilisées dans cette étude.
Ce couplage a permis la formation d’os dans les deux groupes d’associations
Tableau 2 : Récapitulatif de l’étude de Liu et collaborateur en 2013
3.3.3. Le corail associé aux facteurs de croissance
L’étude réalisée par Nandi et collaborateurs (2015) a eu pour but d’évaluer la capacité du corail à transporter les facteurs de croissance tels que la protéine morphogénétique osseuse (BMP-2) ou le facteur de croissance analogue à l'insuline (IGF-1). Les facteurs de croissance dérivés de l’os comme IGF-1, BMP-2 ou encore le facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF) et le facteur de croissance transformant β (TGF- β) améliorent en effet la régénération osseuse.
Ces facteurs de croissance permettraient une récupération osseuse plus précoce, avec un pouvoir ostéoinducteur.
Dans cette étude le corail transformé en hydroxyapatite a été utilisé comme vecteur des facteurs de croissance, grâce à l’architecture poreuse qui le compose.
18 lapins ont été utilisés pour cette expérience séparés en 3 groupes : -le groupe 1 avec un greffon d’hydroxyapatite de corail simple,
-le groupe 2 comprenant de l’hydroxyapatite de corail associé au facteur IGF-1 -le groupe 3 avec le facteur BMP-2 associé à l’hydroxyapatite de corail (Tableau 3).
Un suivi mensuel par radiographie a été réalisé pendant les 90 jours de l’étude. Puis à J 90 des échantillons osseux ont été prélevés pour étudier l’interface os-corail modifié par microscopie électronique. Au niveau radiologique, les groupes 2 et 3 ont mis en évidence une diminution significative du défaut osseux créé pour l’étude, tandis que le groupe 1 ne montrait qu’un lissage entre l’os et l’implant.
A la fin de l’étude au jour 90, les groupes 2 et 3 ont montré une union complète entre l’os et l’implant, et une régénération osseuse de qualité a été observée, contrairement au groupe 1 où un écart entre l’implant et l’os était visible tout comme la présence de tissu fibreux (Figure 8).
L’analyse histologique a mis en évidence la présence de cellules ostéogéniques de type ostéoblastes et ostéoclastes, ainsi qu’une prolifération osseuse au niveau des groupes 2 et 3.
Cette activité osseuse a été permise par l’utilisation d’IGF-1et BMP-2.
La présence de facteur de croissance dans l’hydroxyapatite de corail a permis d’accélérer la reconstruction osseuse. Le corail grâce à son architecture atypique permet un bon transfert des facteurs de croissance notamment pour IGF-1, avec une minéralisation osseuse.
Figure 8 : Radiographies mensuelles a) groupe corail seul,
b) groupe corail associé à IGF-1, c) groupe corail associé à BMP-2.
Nandi et al (2015)
Cellules associées au corail/hydroxyapatite Facteurs de croissance : IGF-1 et BMP2
Comparaison à l’autogreffe Non
Matériels et méthodes 18 lapins sains :
Groupe 1 : 6 lapins : greffon d’hydroxyapatite de corail uniquement
Groupe 2 : 6 lapins : greffon d’hydroxyapatite de corail + IGF-1
Groupe 3 : 6 lapins : greffon d’hydroxyapatite de corail + BMP-2
Défaut osseux créé sur la face médiale proximal du tibia, de taille : 8 x 3 × 2,5 mm3 Échantillons de corail infiltrés sous vide, soit de 30 μg IGF-1 pour le groupe 2 ou 30 μg de BMP-2 pour le groupe 3
30 μg = Calculé pour une libération de 3 mois Durée de l’expérience 90 jours post-opératoire
Suivi Radiographie mensuelle
Prélèvements histologiques à la fin de l’expérience
Résultats o Radiographies :
-J0 : le jour de la chirurgie : Implants bien placés dans le défaut osseux pour tous les groupes
-J30 : groupe 2 et groupe 3, diminution significative du défaut osseux
Pour le groupe 1 : seulement lissage de l’implant
J60 : radiodensité diminuée dans le groupe 2 et le groupe 3, par rapport au groupe 1
J90 : groupes 2 et 3 : densité proche de l’os et néoformation osseuse, groupe 1 : début du processus de réparation
o Prélèvements histologiques :
-Groupe 1 : espace entre l’implant et l’os, ainsi que présence de tissu fibreux
-Groupe 2 : Bonne qualité d’angiogénèse et prolifération ostéoclastique, démontrant une bonne regénération osseuse
-Groupe 3 : Prolifération fibreuse + activité ostéogénique
Conclusions Les facteurs de croissance accélèrent la néoformation osseuse. Le facteur IGF-1 est plus efficace que le facteur BMP-2
Tableau 3 : Récapitulatif de l’étude de Nandi et collaborateurs en 2015
Un cas particulier est représenté par l’apport du facteur de croissance endothélial vasculaire au greffon dans le cadre d’une régénération osseuse.
En effet, lorsque la perte osseuse est trop importante, avec souvent une vascularisation de mauvaise qualité entourant le site de greffe, l’association du greffon à une régénération vasculaire peut être intéressante.
L’étude apportée par Du et collaborateurs (2015) démontre que le facteur de croissance endothélial vasculaire peut non seulement activer les cellules endothéliales mais également permettre leur migration, leur prolifération, et la formation de canaux vasculaires.
Son utilisation permet également au greffon de recruter des ostéoblastes, des ostéoclastes, des monocytes et des cellules mésenchymateuses.
L’étude a été réalisée sur 2 chiens. 4 défauts osseux ont été créés au niveau de la mandibule de chaque chien. Chaque chien a bénéficié de 2 greffons d’hydroxyapatite de corail seul et les 2 autres défauts osseux ont été comblés avec du corail associé à des facteurs de croissance (Tableau 4).
La néogénèse osseuse est présente au niveau des deux greffons. Le comblement osseux n’a pas montré de différence significative dans les deux groupes, tout en étant quand même plus important dans le greffon associé au facteur de croissance par rapport au greffon seul.
Cependant la différence de répartition des vaisseaux sanguins s’est avérée significative entre les deux greffons, avec une répartition des vaisseaux sanguins bien plus importante dans le greffon associé au VGEF.
L’importance de la taille des pores pour permettre la prolifération cellulaire, incluant les cellules sanguines a également été confirmée par cette étude.
Ces résultats démontrent l’utilité de l’apport de facteur de croissance endothélial vasculaire au greffon dans le cadre d’une régénération osseuse nécessitant un renforcement de la vascularisation.
Cellules associées au corail/hydroxyapatite Facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF)
Comparaison à l’autogreffe Non
Matériels et méthodes 2 beagles sains ont été utilisés dans cette étude Greffon 1 : témoin, avec uniquement
l’hydroxyapatite de corail
Greffon 2 : Hydroxyapatite de corail + VEGF Corail/hydroxyapatite stérilisé par irradiation, de taille 6x9x12 mm3
Défauts osseux créés au niveau de la mandibule au nombre de 4 par chien, de taille 9x6x12 mm3 Pour les deux chiens, 2 défauts osseux ont été comblés par le greffon 1 et les 2 autres par le greffon 2
Durée de l’expérience 3 semaines
Suivi Prélèvements histologiques à la fin de l’expérience Résultats Dans le groupe d’association, présence de
vaisseaux, d’ostéoblastes, démontrant la néoformation osseuse, mais il n’y avait pas de différence significative entre les deux groupes En revanche une différence significative est remarquée entre le groupe 1 et le groupe 2 pour la néoformation vasculaire
Conclusions Les résultats mettent en avant l’importance de vascularisation permettant un apport nutritif et d’oxygène pour optimiser la greffe
Tableau 4 : récapitulatif de l’étude menée par Du et collaborateurs en 2015
