Mieux comprendre la maladie des os de verre - sans aucune expérimentation animale

Pour les personnes atteintes de la maladie des os de verre, la vie est une véritable danse des ?ufs. Il suffit d'un petit faux pas, d'une chute en soi anodine ou même d'un faux mouvement pour que les personnes concernées se cassent une jambe ou un bras. Et ce, la plupart du temps, à plusieurs reprises. En effet, leurs os sont fragiles et cassants dès la naissance en raison d'un défaut génétique héréditaire, et leur morphologie est souvent déformée. Peter Radtke, auteur et acteur allemand, a souffert de la maladie des os de verre, tout comme Michel Petrucciani, pianiste de jazz fran?ais.

Dans la plupart des cas, les os vitreux sont dus à des mutations dans le gène qui porte les instructions de construction de la protéine collagène de type I. Il s'agit de la protéine de loin la plus importante pour la construction de la matrice osseuse dure. En raison du défaut génétique, la protéine de collagène ne peut pas se plier correctement chez les personnes atteintes, ce qui rend leur matrice osseuse instable et leurs os fragiles. C'est pourquoi la maladie des os de verre est officiellement appelée Osteogenesis imperfecta, en fran?ais "formation imparfaite des os", en abrégé OI.

Structure d'une matrice poreuse

Jusqu'à présent, on ne sait que très partiellement comment les mutations dans la protéine de collagène empêchent la formation de la matrice osseuse et comment on pourrait éventuellement traiter la matrice défectueuse. Un groupe de chercheurs de l'Institut de biomécanique de l'ETH Zurich a désormais réussi à faire un pas important vers la réponse à ces questions. L'équipe dirigée par Xiao-Hua Qin, professeur d'ingénierie des biomatériaux, a développé avec Ralph Müller, également professeur à l'ETH Zurich, un modèle 3D in vitro qui lui permet d'étudier plus précisément la formation osseuse - et ce aussi bien avec des cellules saines qu'à l'avenir avec celles de patients atteints d'os de verre. Les chercheurs rendent compte de cette avancée dans le dernier numéro de la revue spécialisée c?té externeNature Communications.

La base du nouveau modèle d'os est une matrice poreuse - une sorte d'échafaudage - faite d'un polymère synthétique. Dans cette matrice - un "hydrogel" souple - les cellules productrices d'os (ostéoblastes) peuvent se nicher, se multiplier et former entre elles un réseau tridimensionnel avec leurs extensions. Lors du développement, une taille de pores de 5 à 20 micromètres s'est finalement avérée idéale : d'une part suffisamment grande pour que les cellules puissent s'implanter et se mettre en réseau, d'autre part suffisamment étroite pour qu'elles ne puissent pas s'échapper.

Pour l'hydrogel, les chercheurs se sont inspirés de modèles in vitro de cellules nerveuses. "Les neurones peuvent former très facilement des réseaux artificiels dans un hydrogel poreux", explique Qin. Mais ils ont rapidement réalisé que les cellules précurseurs osseuses "réagissent de manière totalement différente" sur un point. Elles ont certes aussi besoin d'une matrice poreuse, mais il est important que cette matrice puisse être dégradée. C'est pourquoi les chercheurs ont ajouté à l'hydrogel un "crosslinker", qui peut être dégradé par l'enzyme métalloprotéase matricielle (MMP). Cela a pour conséquence que les cellules forment davantage de fibres de collagène matures. La MMP est essentielle pour de nombreux processus dans le corps, y compris pour la formation des os.

Pour que les cellules osseuses puissent se développer et s'interconnecter correctement, il fallait encore une deuxième astuce. "Pour le développement osseux, mais aussi pour le remodelage osseux, les cellules doivent être stimulées mécaniquement", explique Doris Zauchner, doctorante dans le groupe de Qin et première auteure du travail de recherche. Pour ce faire, les chercheurs ont placé un hydrogel avec des cellules intégrées sur une puce et ont fait circuler un liquide à travers les pores. "Le liquide exerce des forces de cisaillement sur les cellules", explique Zauchner. C'est important pour le fonctionnement des cellules. Dans les pores d'os sains, un liquide qui transporte des nutriments et des messagers stimule également les cellules de manière mécanique.

Un modèle se rapproche de la formation osseuse normale

Comme le rapportent maintenant les chercheurs, leur modèle d'os peut bien imiter le développement osseux gr?ce à la matrice d'hydrogel dégradable et à la stimulation mécanique. Les ostéoblastes se multiplient, ils se différencient même de manière isolée en ostéocytes précoces - ceux-ci représentent 90 pour cent des cellules dans l'os sain -, ils sécrètent du collagène et peuvent minéraliser la matrice. "C'est certes un modèle", dit Zauchner, "mais il se rapproche du développement normal de l'os". Entre-temps, le modèle a été breveté ; il doit être mis à la disposition des partenaires industriels potentiels intéressés.

Par rapport aux modèles précédents de formation osseuse, le nouveau modèle in vitro sur puce présente de nombreux avantages. Ainsi, dans les modèles précédents, les pores étaient soit trop étroits, de sorte que les cellules ne pouvaient guère se déplacer, soit trop larges, de sorte qu'aucun réseau tridimensionnel ne pouvait se former. De plus, ces modèles étaient basés sur le collagène comme structure matricielle, ce qui rendait très difficile l'étude de la production de collagène par les cellules elles-mêmes, et en quelle quantité. Comme le modèle peut être placé à petite échelle sur une puce, les chercheurs peuvent également l'utiliser lorsqu'ils ne disposent que de quelques cellules d'un patient ou d'une patiente.

Remplacer l'expérimentation animale

Jusqu'à présent, la maladie des os de verre OI a toutefois surtout été étudiée dans des modèles animaux. Il en existe plus de 20 selon Zauchner, avec des souris, des poissons et même des chiens. "Mais les expériences sur les animaux ont de nombreuses limites", dit-elle, et surtout, elles sont très co?teuses. "C'est pourquoi nous voulons créer un modèle in vitro pour l'IO. Notre objectif est d'introduire des cellules de patients atteints d'OI dans l'hydrogel et de découvrir ainsi quels sont les processus qui ne fonctionnent pas". Ces jours-ci, Zauchner lance les premiers essais avec des cellules d'un jeune patient atteint d'OI à l'h?pital pédiatrique de Zurich.

Le projet OI s'inscrit dans le cadre du c?té externeProgramme national de recherche "Advancing 3R".. Son objectif est d'étudier comment faire progresser l'approche 3R - 3R signifiant remplacer, réduire et affiner l'expérimentation animale.

D'une manière générale, le groupe de travail de Xiao-Hua Qin veut mieux comprendre les processus de formation, de construction et de destruction des os. Pour cela, l'équipe ne mise pas seulement sur le nouveau modèle OI. Dans un autre projet, pour lequel Qin a récemment re?u un prestigieux ERC Starting Grant, il s'agit d'un modèle pour les maladies osseuses dégénératives comme l'ostéoporose. Ce projet se concentre sur les ostéocytes, c'est-à-dire les cellules osseuses différenciées. "Avec ces réseaux tridimensionnels de cellules humaines, nous voulons construire un modèle in vitro pour le développement osseux", explique Qin. Car jusqu'à présent, personne n'y est parvenu - sauf peut-être son équipe elle-même : "Dans le modèle que nous présentons maintenant, nous avons trouvé des ostéocytes précoces en plus des ostéoblastes".