Utilisation de la thérapie cellulaire en chirurgie orthopédique

F-X GUNEPIN, F DUBRANA

communication complète

Dans un article du Journal of Bone and Joint Surgery de 2005[1], Scott D.Boden évoque le futur du chirurgien orthopédiste et il en arrive à distinguer 2 cas de figure en rapport avec nos comportements vis-à-vis des nouvelles technologies (biotechnologies et innovations techniques) :

  • Pour lui, ceux qui se désintéressent des technologies innovantes seront réduits à un rôle de simple travailleur manuel (même si étymologiquement le terme de chirurgie signifie celui qui travaille de ses mains). Ces chirurgiens seront cantonnés à des gestes de plus en plus limités par les avancées technologiques (ingénierie tissulaire, robotique et navigation) qui seront maîtrisées par d'autres praticiens.

  • L’autre voie passe par un investissement dans ces avancées technologiques pour devenir le praticien qui synthétise ces apports et qui restera le référent de la prise en charge de l'appareil locomoteur.

Ces avancées scientifiques peuvent être divisées en 2 secteurs avec les technologies dites adjuvantes à la chirurgie et les biotechnologies :

  • Les technologies adjuvantes sont : la navigation, le développement d’instrumentation robotisée et les techniques mini invasives.

  • Les biotechnologies sont tournées vers la régénération tissulaire.

      • Production de protéines d’activation  Thérapie génique

      • Production de cellules  Thérapie cellulaire

      • Production de tissus  Ingénierie tissulaire


La thérapie cellulaire se définit par le remplacement d’une cellule malade par une cellule saine. Il s’agit de technologie en plein essor depuis les 20 dernières années et ses progrès sont intimement liés à la génétique, à l’histologie et à la biochimie. La peau et le sang ont été des organes précurseurs et restent des secteurs de pointe mais les travaux concernant l’appareil locomoteur sont de plus en plus nombreux.

Pour illustrer ces notions de thérapie cellulaire, il faut rappeler quelques définitions avant d’effectuer un instantané des avancées actuelles sur les principaux tissus de l’appareil locomoteur (cartilage, os et ménisques).

Quelques notions de base :

La prise en charge des lésions au niveau de l’appareil locomoteur peut être résumée par trois termes qui peuvent également représenter 3 phases :

  • la réparation

  • le remplacement

  • la régénération

La réparation :

Son fondement remonte aux origines de la médecine mais c’est Hippocrate qui en définit le mieux les principes. La réparation est, pour lui, basée sur le pouvoir guérisseur de la nature et le corps contient en lui-même le pouvoir de rééquilibrer les humeurs et de se guérir lui-même et à cette fin, Hippocrate préconise le repos et l'immobilisation. Il convient donc d’immobiliser le segment de l’appareil locomoteur traumatisé pour permettre aux processus physiologiques d’aboutir à la guérison. L’évolution des connaissances a nuancé ce propos car nous savons tous que la réparation est inégale selon les pathologies et les tissus à l’exemple des lésions ligamentaires qui aboutissent à un tissu cicatriciel aux propriétés inférieures à celles du tissu natif.

Le remplacement :

En médecine au sens large, ce remplacement peut être la greffe d’organe ce qui correspondra au stade ultime de l’ingénierie tissulaire mais qui pour le moment se base sur des allogreffes. En chirurgie orthopédique ce remplacement peut également faire appel à des dispositifs artificiels (prothèses) qui à chaque époque ont confronté le génie humain aux limites des matériaux et des techniques. Les prothèses internes, articulaires le plus souvent, sont apparues depuis le début du XXe siècle et restent à ce jour tributaires des progrès technologiques et tribologiques.

 

La régénération :

Il a donc fallu plusieurs millénaires pour cheminer de la réparation à la prothèse interne puis seulement quelques dizaines d’années pour voir apparaître la notion de thérapie cellulaire. Dès les années 60, J Lederberg a développé la thérapie génique qui a rendu possible la production de protéines d’activation par des cellules génétiquement modifiées.

Depuis la régénération d’un tissu peut prendre plusieurs formes :

  • la stimulation de cellules déjà en place par des facteurs d’activation ;

  • l’apport de cellules autologues amplifiées (culture in vitro) ou non (ponction concentration réinjection) ;

  • l’apport de composants multifactoriels :

      • Cellules et protéines d’activation

      • Cellules et matrice (collagènique ou phosphocalcique par exemple)

      • Cellule, matrice et protéines (tissu like)

La thérapie cellulaire

Sur le plan biologique, la cellule est la plus petite unité fonctionnelle de l’organisme vivant. (Environ dix trillions 10 18 chez un être humain). Certaines cellules sont à l’origine de toutes les autres, ce sont les cellules souches indifférenciées qui vont évoluer vers des cellules matures de différents types sous l’impulsion de stimuli (intérêt des protéines d’activation et autres facteurs de croissance). Les cellules peuvent être transplantées à l’état mature ou à celui de cellules souches. La transplantation cellulaire la plus fréquente est réalisée en hématologie où les cellules utilisées proviennent de la moelle osseuse ou du sang périphérique moyennant un traitement préalable. Une fois transplantées, elles migrent dans la moelle osseuse du receveur et s’y différencient.

Les cellules souches tissulaires multi potentielles sont intéressantes en orthopédie sous leur forme mésenchymateuses (Cellules Souches Mésenchymateuses  CSM) car elles possèdent une forte capacité de multiplication et sont capables de se différencier (Colony Forming Units  CFU) en cellules ostéoblastiques, fibroblastiques, musculaires et adipocytaires en fonction des conditions de culture.

Si les protocoles de culture, qui permettent d’influer l’évolution des cellules vers les différentes lignées, sont de plus en plus standardisés, le recueil cellulaire est encore source de recherche et de polémique. Actuellement les travaux portent sur les meilleurs sites promoteurs de cellules souches (la moelle osseuse, le tissu adipeux, le tissu cutané, le tissu gingival…). Le potentiel des cellules souches embryonnaires reste incomparable mais les controverses, entourant les recherches basées sur ces cellules, sont telles qu’elles ont fait l’objet d’une loi (6 août 2004). C’est cette loi, relative à la bioéthique, qui a donné naissance à l’agence de biomédecine. L’utilisation des cellules embryonnaires a fait naître la notion de clonage thérapeutique dont les perspectives semblent illimitées en théorie, sur le plan pratique cette notion de limite pose problème notamment celui d’une uniformisation entre les différents états.

 

Thérapie cellulaire et appareil locomoteur

Le traitement d’une pathologie de l’appareil locomoteur peut donc se résumer à une confrontation entre les traitements conservateurs (réparation et régénération) et non conservateurs (remplacement). Il faut toutefois souligner qu’in vivo la régénération est intimement liée aux propriétés des différents tissus (de nulle, faible à très importante). La maîtrise de la composante cellulaire est un des éléments de l’ingénierie tissulaire qui comporte la notion d’une organisation architecturale et l’intégration de plusieurs composantes (vaisseaux, nerfs, substance fondamentale, protéines).

D’autre part, la survie et donc l’efficacité de la cellule à remplir son rôle est liée à de nombreux facteurs environnementaux au premier rang desquels la vascularisation.

Le cartilage étant avasculaire il a donc longtemps été considéré comme un tissu relativement simple à remplacer, mais les travaux de recherche fondamentale ont montré le fossé qui sépare la, déjà complexe, culture cellulaire de l’organisation tissulaire tridimensionnelle. [Robert-2]

 

Le cartilage

Si la composante cellulaire du cartilage hyalin est relativement monocellulaire (chondrocyte), elle est d’une formidable complexité sur le versant des propriétés biomécaniques et biophysiques qui sont intimement liées à une organisation tissulaire tridimensionnelle spécifique.

La cellule de base du cartilage articulaire est le chondrocyte qui produit la matrice extracellulaire du cartilage (essentiellement du collagène de type II mais surtout des protéoglycanes complexes de haute densité). Les chondrocytes sont organisés en chondromes au fonctionnement variable en fonction de leur localisation plus ou moins proche de la surface articulaire.

Les possibilités de réparation spontanée du tissu cartilagineux sont faibles et aboutissent le plus souvent à un tissu fibreux dépourvu des propriétés propres au cartilage. Nous avons évoqué le rôle des CSM dans la régénération cellulaire, c’est le but des perforations de Pridie que de permettre à ces cellules de migrer dans la zone lésée et d’évoluer vers la lignée chondrocytaire au contact des facteurs locaux.

Cette régénération est de plus en plus sophistiquée et a pour ambition de corriger des defects de plus en plus volumineux par un apport cellulaire avec ou sans vecteur :

  • Sans vecteur : Il s’agit d’une greffe de chondrocytes autologues amplifiés par culture et maintenus en place par un lambeau périosté suturé au cartilage sain voisin [Brittberg-3]

  • Avec vecteur : Les chondrocytes sont portés par une matrice qui permet leur implantation sous forme d’une structure tridimensionnelle [Selmi-4].

  • Le remplacement du cartilage dans les situations de dégradation étendue et/ou avancée fait appel aux techniques de prothèse articulaire. Il existe cependant des techniques à la frontière entre la régénération et le remplacement.

  • L’allogreffe massive ostéochondrale qui vient apporter une structure tridimensionnelle anatomique que l’on espère voir se faire coloniser par les cellules du receveur.

  • L’autogreffe ostéochondrale en mosaïque décrite par Hangody [mosaicoplasty-5]. Ici la composante tridimensionnelle du cartilage est intégrée mais il ne s’agit pas, stricto sensu, d’une greffe tissulaire. Ce serait le cas si ce tissu était réalisé ex vivo par ingénierie tissulaire (objectif des années à venir).


Au total : le cartilage a été un des premiers tissus vers lequel se sont tournés les chercheurs. Non vascularisé, non innervé, ils y ont vu la possibilité d’une modélisation plus aisée. Cependant il s’agit d’un tissu soumis à d'importantes contraintes de mouvement et de pression et ses propriétés biomécaniques sont d’une complexité, certes de mieux en mieux connues, mais toujours inaccessibles au génie tissulaire.

L’os

A la différence du cartilage, l’os possède de grande capacité de régénération. La solution de continuité aboutit à la mise en route d’une cascade de phénomènes qui vont évoluer vers la consolidation. Mais à l’image de la coagulation, les mécanismes physiologiques qui président à la consolidation sont nombreux, complexes et faillibles.

La réparation se base encore sur les principes d’Hippocrate de repos et d’immobilisation mais également sur un arsenal thérapeutique en constante évolution.

Le remplacement du tissu osseux pose le problème des contraintes auxquelles est soumis l’appareil locomoteur car seul un tissu vivant est susceptible d’échapper à la fatigabilité des matériaux inertes.

L’utilisation de greffes, notamment pour les defects osseux est une solution bien antérieure à toute notion de thérapie cellulaire. Il semble qu’elle ait, dans un premier temps, été d’origine xénogénique avec R Van Meekeren qui traita, avec succès, un defect osseux crânien chez un soldat, par un fragment de crâne de chien.

La première greffe osseuse autogène documentée a été réalisée en 1821 par Philip Von Walter, un médecin allemand. Mais en dehors de quelques cas anecdotiques, c’est au grand Léopold Ollier que nous devons les premières recherches expérimentales sur le tissu osseux. Dans son traité sur la régénération des os (1867), il établit la méthodologie de la greffe osseuse et définit les termes de transplantation osseuse allogénique, autogénique et xénogénique.

Dès 1950, avec l’avènement de la technique de congélation, les greffes d’os allogènes sont devenues de plus en plus courantes. Il faut voir dans l’allogreffe le recours à une matrice tridimensionnelle plus ou moins à même d’être recolonisée par les cellules de l’hôte.

Par contre, l’autogreffe apporte non seulement la matrice phosphocalcique mais également la composante cellulaire, de plus elle stimule la régénération par les protéines d’activations présentes dans la substance fondamentale et dans l’hématome qui accompagne le prélèvement de la greffe et son positionnement au niveau de la zone receveuse.

La sélection d’une composante cellulaire, la production d’une matrice et de protéines d’activation sont des techniques déjà existantes et utilisée en clinique :

  • La composante cellulaire sous forme de CSM avec une technique associant ponction médullaire, concentration et réinjection [Hernigou-6].

  • Les matrices sont nombreuses, il s’agit des céramiques phosphocalciques dont les propriétés sont rassemblées dans les monographies du GESTO.

  • Les protéines d’activation sont produites par génie génétiques et utilisées en pratique clinique (Bone Morphogenic Proteins, Tissu Growing factor…)

La thérapie cellulaire n'est donc qu'un des éléments susceptible d'aider à la consolidation. Il est capital d'essayer d'identifier l'origine de la défaillance du processus de consolidation pour mieux le prendre en compte. Un des facteurs prépondérant est la qualité de la vascularisation. X Holy effectue actuellement des travaux sur la néo angiogénèse stimulée par une ambiance hypoxique (Institut de Médecine Aérospatiale du service de Santé des Armées à Brétigny sur Orges).

Parallèlement à ces travaux sur la consolidation osseuse, il existe des travaux sur le comblement des defects osseux (traumatologie, ostéolyse en chirurgie prothétique et chirurgie tumorale). Dans ce cas, les matrices phospho-calciques ont non seulement un rôle de vecteur mais également un rôle de comblement.

L’avenir est donc à l’ingénierie tissulaire pour les remplacements « massifs », l’objectif étant la production d’un tissu, in vitro, aux propriétés au moins équivalentes à celles de l’autogreffe. Les facteurs responsables de la consolidation sont de mieux en mieux identifiés mais l’enchaînement des phénomènes est encore mal connu. Dans l’idéal, le chirurgien choisira dans son arsenal (cellules, protéines d’activations…), la solution adaptée au problème présenté par son patient.

Les ménisques du genou

Les travaux sur les ménisques sont relativement récents et doivent beaucoup à l'arthroscopie. L'intérêt pour ces fibrocartilages provient de l’incidence des lésions méniscales et de leur retentissement à long terme lorsque ces lésions sont inaccessibles à la réparation (chaque année, les lésions méniscales sont à l’origine de 200 000 interventions chirurgicales en France, 400 000 en Europe et plus d’un million aux Etats-Unis).

Il s'agit d'un tissu qui peut apparaître relativement simple à modéliser mais avec des propriétés biomécaniques intimement liées à leur structure et que les régularisations mêmes économiques modifient sensiblement (même limitées les régularisations sont responsables d’une perte d'environ 4% par an du volume cartilagineux). La réparation doit donc lui être préférée mais ses indications restent limitées car le potentiel de cicatrisation du ménisque est très faible du fait même de sa structure majoritairement non vascularisée [Verdonk -7]

Les ménisques peuvent également être remplacés par transplantation de ménisques allogéniques, frais ou congelés. Cette approche permet d’obtenir des résultats satisfaisants mais pose le problème classique des allogreffes (risques liés aux maladies transmissibles et problème de disponibilité). Le remplacement peut également être le fait de matrices synthétiques de type collagénique ou polyurétane lentement dégradable [Gruber-8]

La régénération explore des voies conjointes entre ménisque et disque intervertébral avec des travaux sur les facteurs de croissance et la thérapie cellulaire. Quelque soit la stratégie adoptée, il semble maintenant évident que la cellularisation du substitut (biologique ou inerte) est primordiale pour le maintien de ses propriétés structurale [Sweingart-9]

Les travaux actuels portent sur une régénération par un apport cellulaire associé ou non à des facteurs de croissance ou par l'utilisation d'une greffe (allo ou substitut) apte à être cellularisée par les cellules de l'hôte.

Les équipes Brestoises, avec le groupe sur les greffes méniscales, travaillent déjà au concept de la greffe cellularisée. L’objectif à terme serait d’utiliser des cellules autologues pour réaliser la colonisation d'une matrice aux propriétés mécaniques primaires (c’est à dire au moment de l'implantation) proches de celles du ménisque sain.

 

Conclusion

A ce jour, les projets de recherche sont pléthores et explorent toutes les voies de l’ingénierie tissulaire. Quelque soit le tissu le premier challenge est l’identification des cellules responsables de la régénération tissulaire. Les voies actuelles de recherche tournent autour des cellules matures et des cellules Souches Mésenchymateuses (CSM). La production autologue est au premier plan.

Identifier les stimuli susceptibles d’induire la régénération tissulaire permet non seulement de faciliter la croissance cellulaire in vitro mais peut également représenter une voie thérapeutique par la stimulation (ou la réactivation) des cellules déjà in situ. Les stimulations exogènes (moyens electro-physiques, hypoxie…) n’ont pas été abordées ici mais mérites d’être considérées. Les protéines d’activation (BMP, TGF…) représentent un moyen efficace mais complexe d’agir sur la régénération tissulaire.

La cellule, et les facteurs qui l’activent, sont les principaux artisans de la régénération tissulaire, mais un tissu comprend également une matrice tridimensionnelle. En ingénierie tissulaire, cette matrice peut être un simple vecteur, ou apporter des éléments nutritifs en sachant que l’avenir appartient aux matrices avec des propriétés mécaniques primaires équivalentes à celles du tissu natif.

Les travaux actuels sont les ébauches du génie tissulaire de demain qui associera cellules, substance fondamentale (protéines d’activations, substances nutritives) et matrices tridimensionnelles. Le passage d’une culture in vitro permettant l’implantation cellulaire in vivo impose un milieu de culture sécurisé ce que permet la culture sur plasma riche en plaquettes (PRP) en lieu et place du classique sérum de veau fœtal [Doucet, Lataillade-10].

Un des problèmes majeurs est celui de maintenir les cellules cultivées en vie lors de leur greffe ce qui est possible à l’échelle cellulaire mais encore complexe pour les structures tridimensionnelles. C’est pour cette raison que les ménisques et le cartillage semblent être les voies de recherches les plus immédiates du fait d’une ambiance hypo ou avasculaire.

La thérapie cellulaire n’est qu’une des composantes de l’ingénierie tissulaire. L’objectif à terme est le remplacement tissulaire (cartilage, os, ménisque, ligament…). Actuellement les progrès dans la compréhension des mécanismes de la régénération cellulaire font l’objet de publications exponentielles et devraient peu à peu modifier nos pratiques chirurgicales. A nous d’être réalisateur ou acteur pour ne pas être qu’un spectateur.

Nous voudrions associer à cette communication pour leur participation à nos projets de recherche :

  • Le Dr P VERDONK de Gent (Belgique)

  • Le Dr H ROBERT de Mayenne

  • Le Dr JJ LATAILLADE de Clamart

  • M X HOLY de Brétigny sur Orges



BIBLIOGRAPHIE 


  1. BODEN SD, EINHORN TA, MORGAN TS, TOSI LL, WEINSTEIN JN. The Future of the Orthopaedic Surgeon- Proceduralist or Keeper o the Musculoskeletal System. J Bone Joint Surg Am. 2005; 87: 2812-21.

  2. Robert H, Kerdiles N, Bahuaud J , Passuti N , Pujol J-P, Hartman D, Capelli M, Hardy P, Locker B , Hulet C, Coudane H, Rochverger A, Franceschi J-P. Greffes de chondrocytes autologues du genou : bilan d'une étude multicentrique de 28 implantations. Rev Chir Orthop. 2004; Suppl. 90, 82.

  3. Brittberg M, Tallheden T, Sjogren-Jansson B, Lindahl A, Peterson L. Autologous chondrocytes used for articular cartilage repair : an update. Clin Orthop Relat Res. 2001; 391: 337-48.

  4. Selmi TA, Verdonk P, Chambat P, Dubrana F, Potel JF, Barnouin L, Neyret P. Autologous chondrocyte implantation in a novel alginate-agarose hydrogel: outcome at two years. J Bone Joint Surg Br. 2008; 90(5):597-604.

  5. Hangody L, Rathonyi GK, Duska Z, Vasarhelyi G, Fules P, Modis L. Autologous osteochondral mosaicplasty. Surgical technique. J Bone Joint Surg Am. 2004; 86: 65-72.

  6. Hernigou P, Mathieu G, Poignard A, Manicom O, Beaujean F, Rouard H. Percutaneous autologous bone-marrow grafting for nonunions. Surgical technique.J Bone Joint Surg Am. 2006 Sep; 88 Suppl 1: 322-7.

  7. Verdonk PC, Forsyth RG, Wang J, Almqvist KF, Verdonk R, Veys EM, Verbruggen G. Characterisation of human knee meniscus cell phenotype. Osteoarthritis Cartilage. 2005 Jul; 13(7):548-60.

  8. GRUBER HE, MAUER D, CHOW Y, INGRAM JA, NORTON HJ, HANLEY EN, SUN Y. Three-dimentional culture of human meniscal cells: extracellular matrix and proteoglycan production. BMC Biotechnol. 2008 Jun 26;8:54.

  9. SWEINGART MA, AUFDERHEIDE AC, ATHANAS KA. Fibrochondrocytes and their Use in Tissue Engineering of the Meniscus. Topics in Tissue Engineering 2003. Eds. N Ashammakhi & P. Ferretti. University of Oulu. 2003.

  10. Doucet C, Ernou I, Zhang Y, Llense JR, Begot L, Holy X, Lataillade JJ. Platelet lysates promote mesenchymal stem cell expansion: a safety substitute for animal serum in cell-based therapy applications. J Cell Physiol. 2005 Nov; 205(2):228-36.

 

 


 

Haut

Retour au sommaire Geco 2009