Conception et caractérisation d'un hydrogel bioactif pour la régénération du disque intervertébral

Adoungotchodo, Gbéïtè Atma-Luseck (2022). Conception et caractérisation d'un hydrogel bioactif pour la régénération du disque intervertébral. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le traitement minimalement invasif de la dégénérescence du disque intervertébral constitue une approche intéressante pour pallier les insuffisances des techniques chirurgicales actuelles. Ce type de technologie requiert l’encapsulation de cellules dans des matrices injectables avec ou sans facteurs bioactifs. Idéalement, la matrice injectable doit permettre de renforcer mécaniquement le tissu dégénéré pendant que les facteurs bioactifs stimulent les cellules encapsulées à produire les composants nécessaires pour la régénération du tissu. Pour ce faire, la matrice doit respecter à la fois des spécifications mécaniques et biologiques précises.

Compte tenu de leur teneur élevée en eau et leur versatilité, les hydrogels injectables constituent des candidats très intéressants. Cependant, les hydrogels actuellement développés peinent à respecter à la fois les spécifications mécaniques et biologiques nécessaires à leur performance clinique. Des formulations d’hydrogels de chitosane thermosensibles et une molécule bioactive, le Link N respectivement développés ou évalué dans les laboratoires des professeurs Sophie Lerouge et Fackson Mwale pourraient pallier ces insuffisances. Le Link N est une molécule bioactive favorisant la synthèse de protéoglycanes, un composant important de la matrice extracellulaire du disque responsable de ses propriétés mécaniques en
compression.

L’objectif du projet est de développer et de démontrer le potentiel de ces hydrogels associés au Link N, à restaurer les propriétés biomécaniques du disque notamment sa partie centrale: le noyau pulpeux (NP). Le projet fait l’hypothèse selon laquelle, ces formulations d’hydrogels une fois optimisées et associées au Link N, posséderaient les propriétés mécaniques adéquates et seraient capables de permettre l’encapsulation des cellules, assurer leur survie ainsi que la production d’une matrice extracellulaire appropriée à l’obtention d’un tissu fonctionnel ayant les propriétés proches du NP sain.

Dans un premier temps, une étude d’optimisation a été effectuée et a permis de sélectionner une formulation optimale constituée de 2%w/v de chitosane, 75mM de sodium hydrogénocarbonate et de 100mM de β glycérophosphate. Cette formulation est liquide et stable à température ambiante et injectable à travers une aiguille (22 gauge). Elle présente une vitesse de gélification adéquate et des propriétés mécaniques en compression et en torsion proches de celles du NP humain, après complète gélification. Les propriétés de ce gel permettent l’encapsulation et la survie des cellules du NP (plus de 80% de viabilité après 14 jours de culture). Cependant, la quantité de protéoglycanes produite est sous-optimale. Cette activité de synthèse a été améliorée par l’ajout du Link N (100µ/mL) et de la gélatine (1%w/v) dans une seconde étape du projet. L’efficacité de ces facteurs bioactifs a été évaluée et confirmée dans un milieu de culture répliquant la composition biochimique d’un disque dégénéré et indique donc le potentiel clinique de la méthode.

Dans une troisième étape, des tests ex vivo dans un modèle de disque bovin dégénéré ont été effectués afin d’évaluer la capacité du gel à restaurer les propriétés mécaniques du disque. Cependant, la diffusion de la solution de dégénération en dehors du NP vers le reste du disque nous a empêchée d’aller au bout de cette étape. Néanmoins, un protocole a été mis au point afin de définir les paramètres importants à prendre en compte pour effectuer de façon fiable ce type d’étude.

Finalement, en vue d’évaluer le potentiel de transfert clinique de la technologie, la viabilité des cellules souches/stromales mésenchymateuses (MSC) encapsulées dans ce gel a été étudiée. Ces résultats montrent que la sensibilité de ces cellules et le manque de motifs d’adhésion cellulaire dans le gel de chitosane ne favorisent pas suffisamment la survie des MSC dans le gel. La technologie reste donc à améliorer afin de remédier à ce manque d’adhésion cellulaire, critique pour les MSC qui sont les plus appropriées pour une utilisation clinique de cette technologie.

Titre traduit

Design and characterization of a bioactive hydrogel for intervertebral disc regeneration

Résumé traduit

The minimally invasive treatment of intervertebral disc degeneration is an interesting approach to overcome the shortcomings of current surgical techniques. This type of technology requires the encapsulation of cells in injectable scaffolds with or without bioactive factors. The injectable scaffolds will mechanically reinforce the degenerated tissue while the bioactive factors stimulate the encapsulated cells to produce the components necessary for the tissue’s regeneration. In this order, the scaffold must fill both precise mechanical and biological requirements.

Given their high water content and their versatility, injectable hydrogels are very interesting candidates. However, the hydrogels currently developed struggle to meet simultaneously the mechanical and biological specifications necessary for their clinical performance. Novel thermoresponsive chitosan hydrogels formulations and a bioactive molecule, Link N respectively developed or evaluated in the laboratories of Professors Sophie Lerouge and Fackson Mwale could overcome these shortcomings. Link N is a bioactive molecule promoting the synthesis of proteoglycans, an important component of the extracellular matrix of the disc responsible for its mechanical properties in compression.

The objective of the project is to develop and demonstrate the potential of these hydrogels associated with Link N, to restore the biomechanical properties of the disc, in particular its central part: the nucleus pulposus (NP). The project hypothesizes that these hydrogel formulations, once optimized and associated with Link N, would possess the appropriate mechanical properties and would be suitable for the encapsulation of cells, ensuring their survival as well as the production of an appropriate extracellular matrix.

Firstly, an optimization study was carried out to select an optimal formulation consisting of 2% w/v of chitosan, 75 mM of sodium hydrogen carbonate and 100 mM of β glycerophosphate. This formulation is liquid and stable at room temperature and injectable through a needle (22 gauge). It has an adequate gelation rate and mechanical properties in compression and shear close to those of human NP, after complete gelation. The properties of this gel allow encapsulation and survival of NP cells (> 80% viability after 14 days of culture). However, the amount of proteoglycans produced is suboptimal. This proteoglycans production was improved by adding Link N (100µ/mL) and gelatin (1%w/v) in a second step of the project. The efficacy of these bioactive factors has been evaluated and confirmed in a culture medium replicating the biochemical composition of a degenerated disc and therefore indicates the clinical potential of the method.

In a third step, ex vivo tests in a degenerated bovine disc model were carried out to evaluate the capacity of the gel to restore the mechanical properties of the disc. However, the diffusion of the degeneration solution outside the NP towards the rest of the disc prevented us from going through with this step. Nevertheless, a protocol has been developed to define the important parameters to be considered to reliably perform this type of study.

Finally, to assess the potential for clinical transfer of the technology, the viability of mesenchymal stem/stromal cells (MSC) encapsulated in this gel was studied. These results show that the sensitivity of these cells and the lack of cell adhesion patterns in the chitosan gel induce a low cell viability for encapsulated MSC. Therefore, the technology remains to be improved to increase the viability of MSCs which are the most appropriate cells for clinical application of this technology.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 195-224).
Mots-clés libres:	chitosane, hydrogel injectable, disque intervertébral, noyau pulpeux, propriétés mécaniques, gélatine, Link N
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lerouge, Sophie
Codirecteur:	Codirecteur Mwale, Fackson
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 oct. 2022 15:10
Dernière modification:	12 oct. 2022 15:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3086

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