Dans la plupart des cas de fractures osseuses, les cellules osseuses se régénèrent d’elles-mêmes pendant que les patients portent un plâtre ou une attelle pour maintenir la blessure immobile. Mais pour les fractures complexes ou graves, les chirurgiens peuvent intervenir en plaçant des greffons ou des échafaudages fabriqués à partir de matériaux biocompatibles, ou en utilisant des dispositifs de fixation métalliques pour assurer une bonne cicatrisation et un bon alignement des os.
En collaboration avec des chirurgiens orthopédistes, une équipe dirigée par des chercheurs en génie biomédical de l’université Penn State a créé CitraBoneQMg, un support implantable biodégradable destiné à favoriser la repousse osseuse, fabriqué à partir d’un mélange de magnésium, de glutamine et d’acide citrique. Ils ont publié leurs recherches sur cet implant, pour lequel ils ont déposé une demande de brevet aux États-Unis, dans la revue Science Advances.
« En intégrant le magnésium et la glutamine, deux petites molécules présentes naturellement dans l’organisme et dans les aliments, à l’acide citrique, nous avons découvert que ces molécules agissent ensemble pour favoriser la croissance osseuse en stimulant le métabolisme énergétique intracellulaire », a déclaré le premier auteur, Hui Xu, doctorant en génie biomédical, sous la direction du coauteur correspondant Su Yan, professeur adjoint de recherche en génie biomédical.
Les chercheurs ont découvert que l’ajout de magnésium et de glutamine à un implant traditionnel à base d’acide citrique uniquement, approuvé par la Food and Drug Administration américaine et commercialisé, augmentait l’énergie intracellulaire et aidait à réguler deux voies énergétiques essentielles à la croissance osseuse, l’AMPK et la mTORC1. Ces voies agissent comme des systèmes de contrôle à l’intérieur de la cellule, équilibrant l’utilisation du carburant afin que les cellules aient l’énergie nécessaire pour fabriquer de nouveaux os.
« Les molécules régulent simultanément les deux voies énergétiques, ce qui est différent de ce qui se passe normalement : elles agissent généralement comme un balancier, l’une accélérant tandis que l’autre ralentit », a ajouté M. Xu. « Le support stimule essentiellement une cellule osseuse : les deux nutriments agissent en synergie avec l’acide citrique pour donner aux cellules souches plus d’énergie pour se développer et se différencier en cellules osseuses, ce qui conduit à une meilleure repousse osseuse. »
Pour tester CitraBoneQMg, les chercheurs ont implanté leur échafaudage expérimental dans une lésion crânienne chez des rats et ont comparé la croissance osseuse obtenue à celle de rats ayant reçu un implant à base d’acide citrique uniquement et à celle de rats ayant reçu un implant à base de matériau osseux traditionnel.
Ils ont constaté qu’après 12 semaines, CitraBoneQMg avait augmenté la croissance osseuse autour de la lésion crânienne de 56 % par rapport aux animaux ayant reçu un échafaudage à base d’acide citrique uniquement et de 185 % par rapport aux animaux ayant reçu un implant en matériau osseux traditionnel.
Les chercheurs ont constaté qu’après 12 semaines, l’implant CitraBoneQMg (colonne de droite) avait augmenté la croissance osseuse autour de la lésion crânienne des rats de 56 % par rapport aux rats ayant reçu l’échafaudage à base d’acide citrique uniquement (colonne du milieu), et de 185 % par rapport aux rats ayant reçu un implant en matériau osseux traditionnel (colonne de gauche). Crédit : fourni par Hui Xu/Science Advances. Tous droits réservés.
« Les trois molécules agissent comme une recette de guérison pour l’os, ouvrant la voie à une nouvelle façon de concevoir la réparation osseuse. Outre une croissance osseuse rapide, nous avons également observé une régénération nerveuse et des propriétés anti-inflammatoires au niveau du site de l’échafaudage, deux éléments importants pour la guérison à long terme de l’os. » a précisé M. Yan.
La libération des molécules directement sur le site de la lésion via le support permet de transporter une concentration élevée de nutriments directement là où ils sont le plus nécessaires, ont expliqué les chercheurs, plutôt que de recourir à l’ingestion orale, où seul un faible pourcentage atteint le site de la lésion.
De plus, les chercheurs ont découvert que le support polymère possède des propriétés photoluminescentes et photoacoustiques inhérentes, ce qui permet de le visualiser facilement après son implantation sur le site de la lésion.
« Grâce à ses propriétés photoacoustiques, CitraBoneQMg présente un grand potentiel pour le suivi in vivo, où il peut être détecté par ultrasons sous les tissus profonds », a conclu M. Xu.
Outre M. Xu et M. Yan, les coauteurs affiliés à Penn State comprennent Ethan Gerhard, Rohitraj Ray et Yuqi Wang, doctorants en génie biomédical ; Sri-Rajasekhar Kothapalli, professeur agrégé en génie biomédical ; et April D. Armstrong, professeur C. McCollister Evarts, présidente du département d’orthopédie et de rééducation et chef du service des épaules et des coudes à Penn State Health.
Article : « Metabotissugenic citrate biomaterials orchestrate bone regeneration via citrate-mediated signaling pathways » – DOI : 10.1126/sciadv.ady2862
Source : PSU
