Le mariage des capacités immunomodulatrices, angiogéniques et ostéogéniques dans un échafaudage d'ingénierie tissulaire en hydrogel piézoélectrique pour la médecine militaire

Recherche médicale militaire volume 10, Numéro d'article : 35 (2023) Citer cet article

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La plupart des blessures osseuses subies par les troupes de base sont causées par l'entraînement ou par des blessures accidentelles. Pour établir des mesures préventives visant à réduire toutes sortes de traumatismes et à améliorer l’efficacité au combat des troupes de base, il est impératif de développer de nouvelles stratégies et de nouveaux échafaudages pour promouvoir la régénération osseuse.

Dans cette étude, un échafaudage osseux d'hydrogel piézoélectrique poreux a été fabriqué en incorporant des nanoparticules d'hydroxyapatite céramique modifiée par polydopamine (PDA) (PDA-hydroxyapatite, PHA) et de titanate de baryum modifié par PDA (PDA-BaTiO3, PBT) dans un mélange chitosane/gélatine (Cs /Gel) matrice. Les propriétés physiques et chimiques de l'échafaudage Cs/Gel/PHA avec 0 à 10 % en poids de PBT ont été analysées. Des expériences cellulaires et animales ont été réalisées pour caractériser les capacités immunomodulatrices, angiogéniques et ostéogéniques de l’échafaudage d’hydrogel piézoélectrique in vitro et in vivo.

L'incorporation de BaTiO3 dans l'échafaudage a amélioré ses propriétés mécaniques et augmenté l'électricité autoproduite. En raison de leur stimulation piézoélectrique endogène et de leurs constituants bioactifs, les hydrogels Cs/Gel/PHA/PBT tels que préparés présentaient une cytocompatibilité ainsi que des capacités immunomodulatrices, angiogéniques et ostéogéniques ; ils ont non seulement induit efficacement la polarisation des macrophages vers le phénotype M2, mais ont également favorisé la migration, la formation de tubes et la différenciation angiogénique des cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVEC) et ont facilité la migration, l'ostéo-différenciation et la minéralisation de la matrice extracellulaire (ECM) de MC3T3- Cellules E1. Les évaluations in vivo ont montré que ces hydrogels piézoélectriques aux capacités polyvalentes facilitaient de manière significative la formation de nouveaux os dans un modèle de lésion crânienne de grande taille chez le rat. Le mécanisme moléculaire sous-jacent peut être en partie attribué à l’immunomodulation des hydrogels Cs/Gel/PHA/PBT, comme le montre l’analyse de séquençage du transcriptome, et l’axe de signalisation PI3K/Akt joue un rôle important dans la régulation de la polarisation des macrophages M2.

Les hydrogels piézoélectriques Cs/Gel/PHA/PBT développés ici avec des fonctions favorables d'immunomodulation, d'angiogenèse et d'ostéogenèse peuvent être utilisés comme substitut dans les blessures du périoste, offrant ainsi une nouvelle stratégie consistant à appliquer la stimulation piézoélectrique à l'ingénierie des tissus osseux pour améliorer l'efficacité au combat. dans les troupes de base.

Outre les maladies, les blessures liées à l'entraînement et les blessures accidentelles sont des causes importantes de réduction des troupes de base hors combat dans des conditions de non-guerre. Parmi toutes les blessures, 70,3 % étaient des blessures liées à l'entraînement et 29,7 % étaient des blessures non liées à l'entraînement. Au total, 66,6 % des blessures osseuses ont été causées par un tel entraînement et des blessures accidentelles [1, 2]. Pour établir des mesures préventives visant à réduire toutes sortes de traumatismes et à améliorer l’efficacité au combat des troupes de base, il est impératif de développer de nouveaux médicaments et échafaudages pour favoriser la réparation des lésions osseuses [3, 4]. La cicatrisation des lésions osseuses est très difficile en raison du risque d'inflammation incontrôlée et persistante, de perturbation de l'apport d'oxygène en raison d'un blocage de l'ostéogenèse/angiogenèse et d'une surcharge d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) [5]. L’utilisation d’un matériau d’échafaudage d’ingénierie tissulaire osseuse, qui peut fournir un microenvironnement pour la régénération osseuse, est une stratégie alternative efficace pour soutenir la régénération osseuse [6]. À l’heure actuelle, l’effet de nombreux échafaudages d’ingénierie du tissu osseux est proche de celui de la transplantation osseuse autologue [7], et de nombreuses nouvelles méthodes, telles que la stimulation électrique, ont été introduites dans le domaine de l’ingénierie du tissu osseux réfractaire [8]. Cependant, optimiser l’utilisation combinée de ces technologies reste un défi.

De nombreux rapports ont montré que le microenvironnement électrique peut jouer un rôle important dans la réparation des lésions osseuses [9, 10]. De plus, la signalisation électrique dans le corps peut réguler les comportements des macrophages, tels que la migration, l'activité phagocytaire et la production de cytokines (11). En plus de l'incorporation de macromolécules et nanomolécules bioactives fréquemment utilisées, des recherches en plein essor ont montré que de multiples signaux physiologiques, notamment la mécanique, l'électricité et le magnétisme, représentent de nouvelles perspectives pour la régénération osseuse en influençant les comportements cellulaires liés aux os et les événements de maturation cellulaire. . Par exemple, le tissu osseux lui-même est piézoélectrique et auto-alimenté en réponse aux activités mécaniques du corps, ce qui peut réguler le métabolisme et la prolifération des ostéocytes [13]. Les biomatériaux piézoélectriques, tels que l'acide poly-L-lactique, le collagène, la soie et le niobate de potassium et de sodium, peuvent produire le microenvironnement électrique physiologique et jouer un rôle important dans l'augmentation des activités métaboliques (14, 15). Il est important de noter que depuis la découverte des propriétés bioélectriques des os il y a 70 ans, la thérapie clinique par électrostimulation a montré sa capacité à faciliter la guérison osseuse et la fusion vertébrale [16]. Récemment, il a été démontré que l’électrostimulation in vitro avait des effets positifs sur la prolifération, la migration et la différenciation des cellules formatrices osseuses (cellules souches mésenchymateuses osseuses, ostéoprogéniteurs, ostéoblastes et cellules endothéliales) [17]. Les mécanismes possibles par lesquels l’électrostimulation favorise l’ostéogenèse impliquent la régulation positive des concentrations intracellulaires de Ca2+ liées aux ostéoblastes, l’ouverture primaire des canaux Ca2+ voltage-dépendants et l’accélération de l’ostéogenèse grâce à la régulation positive des voies de signalisation de la calmoduline (18).