Des matrices pour les cellules souches qui adhèrent aux tissus humains

La thérapie cellulaire

La thérapie cellulaire est une forme de traitement novatrice qui diffère des traitements pharmacologiques par l’utilisation de cellules plutôt que de médicaments pour induire un effet thérapeutique. On peut notamment injecter des cellules souches, obtenues par prélèvement dans la moelle osseuse ou le tissu adipeux, pour aider la réparation ou reconstruction de tissus irrémédiablement endommagés. Du fait de la rareté de ces cellules, il est primordial après l’extraction de les multiplier en laboratoire avant de les réintroduire dans le corps du patient. Cependant, ces cellules sont fragiles et tendent à se disperser trop vite après leur entrée dans l’organisme; bien souvent, elles meurent avant d’atteindre leur objectif thérapeutique. Ainsi, des véhicules de transport adaptés ont été conçus pour les protéger lors du transport et leur fournir un environnement adéquat pour proliférer une fois sur le site visé. Ces véhicules doivent être injectables pour permettre le recours aux chirurgies minimalement invasives, mécaniquement résistants pour protéger adéquatement les cellules lors de l’injection, biocompatibles, et adhésifs aux tissus humains afin d’empêcher le décrochage et la migration non désirée.

Les gels de chitosane

Le chitosane est un polymère obtenu par traitement chimique de la principale composante de la carapace des crustacés. Combiné à du bicarbonate de soude, il forme une solution liquide à température pièce qui gélifie à 37 °C pour former des hydrogels, qui sont des matrices viscoélastiques très hydratées et donc très adaptées à la survie cellulaire [1]. Entre autres, il est possible d’utiliser ces hydrogels pour « encapsuler » des cellules en les mélangeant à la solution liquide à température pièce : en gélifiant, le matériau va former une matrice protectrice autour des cellules. Malheureusement, la présence d’eau complexifie grandement l’induction et le maintien des propriétés adhésives.

Le catéchol

Les moules bleues (Mytilus edulis) sont reconnues pour adhérer fortement aux sédiments marins, et ce, en dépit de leur immersion continuelle dans l’eau. Dans les années 1980, l’analyse des protéines contenues dans leur pied et leurs filaments a révélé la présence d’importantes quantités d’une molécule particulière : la DOPA. Cet acide aminé, naturellement présent dans certaines plantes, contient dans sa structure du catéchol, un diphénol dont les propriétés adhésives s’avèrent alors être exceptionnelles [2]. Cependant, le catéchol présente un désavantage majeur : sa biocompatibilité est limitée par sa tendance à s’oxyder spontanément en milieu basique (pH supérieur à 7). Une fois oxydé, le catéchol perd non seulement une grande partie de ses propriétés d’adhésion, mais cette réaction d’oxydation génère également des radicaux libres qui, en quantités excessives, attaquent les cellules et détruisent la membrane cellulaire. Afin d’envisager l’utilisation du catéchol pour des applications biomédicales, il est donc essentiel de limiter son oxydation à pH physiologique (7.4).

Stratégies de réduction de l’oxydation

D’autres molécules que la DOPA contenant du catéchol peuvent également être utilisées pour fonctionnaliser le chitosane, augmentant ainsi ses propriétés adhésives même en présence d’eau. Jusqu’alors, dans la littérature, la fonctionnalisation se faisait par greffage de l’acide hydrocafféique (HCA), mais le polymère ainsi formé (HCA-chitosane) est très vulnérable à l’oxydation lorsqu’il est combiné à du bicarbonate de soude pour former un hydrogel [3]. Grâce à sa structure chimique légèrement différente, l’acide dihydrobenzoique (DHBA) possède un nuage électronique complètement distinct de celui du HCA, ce qui le rend beaucoup plus résistant à l’oxydation [4]. Nous avons démontré pour la première fois qu’il était possible d’ajouter du catéchol au chitosane par greffage du DHBA et que cette méthode permettait de fabriquer un polymère (DHBA-chitosane) très adhésif, qui ne s’oxyde pas à pH physiologique et qui reste stable lors du stockage sur des périodes prolongées.

Fabrications d’hydrogels injectables et adhésifs

Les hydrogels formés à partir de DHBA-chitosane, de bicarbonate de soude et de phosphate ont des propriétés très intéressantes : une fois la température physiologique (37 °C) atteinte, ces derniers gélifient en quelques minutes seulement et atteignent une rigidité élevée, ce qui est important pour protéger les cellules qui seront encapsulées à l’intérieur. Contrairement à leurs analogues à base de HCA-chitosane, ces hydrogels sont beaucoup moins oxydés et leurs propriétés, bien meilleures : ils sont beaucoup plus cohésifs, leur gélification est plus rapide, ils adhèrent beaucoup mieux aux surfaces et surtout, sont biocompatibles. En particulier, la survie des cellules encapsulées dans le matériau se compare à celles des hydrogels de chitosane non modifié, et ce, malgré la présence du catéchol.

Conclusion

En utilisant une molécule inédite contenant du catéchol pour fonctionnaliser le chitosane, nous avons pu diminuer suffisamment l’oxydation du catéchol pour fabriquer des hydrogels adhésifs et injectables, qui sont compatibles avec l’encapsulation de cellules. À terme, ces hydrogels pourront être injectés localement dans le corps pour réparer des tissus ou des organes non vascularisés, et soumis à de fortes contraintes mécaniques, comme le tissu cicatriciel du cœur après un infarctus ou le cartilage articulaire.

Information supplémentaire

Pour plus de détails concernant ce projet de recherche, consulter l’article suivant :

Guyot, C.; Adoungotchodo, A.; Taillades, W.; Cerruti, M.; Lerouge. S. 2021. A catechol-chitosan-based adhesive and injectable hydrogel resistant to oxidation and compatible with cell therapy. J. Mater. Chem. B, 2021,9, 8406-8416