12.9.2 Réticulation
Malgré les avantages apparents, l’utilisation d’échafaudages biologiques pose encore un certain nombre de problèmes, en particulier leur biodégradation rapide in vivo, les préoccupations concernant l’immunogénicité et les réponses tissulaires involontaires ou incomplètes. Afin de surmonter ces problèmes, des méthodes de réticulation ont été employées au cours des décennies. La réticulation joue un rôle dans le ralentissement de la biodégradation ainsi que dans l’élimination ou la réduction de la réponse inter-espèces aux protéines structurelles des échafaudages ECM (Courtman et al., 2001).
Le succès de la réticulation peut être apprécié dans le développement de valves cardiaques bioprothétiques à partir de tissus xénogéniques. L’abandon du traitement au formaldéhyde et l’introduction de la réticulation au glutaraldéhyde des valves cardiaques bioprothétiques sont considérés comme une réussite majeure dans ce domaine (Zilla et al., 2007). La réticulation maintient la surface non thrombogène des valves cardiaques bioprothétiques, réduit leur antigénicité et empêche leur dégradation, augmentant ainsi leur durée de vie in vivo. Cette forme de fixation des valves cardiaques bioprothétiques est encore utilisée aujourd’hui. En effet, le tannage au chrome du collagène est utilisé depuis plus de 100 ans pour la conservation des peaux animales dans l’industrie du cuir (Covington, 1997). Le processus implique une liaison ionique, covalente et hydrogène entre les espèces de chrome et le collagène. Cette forme de stabilisation des biomatériaux a également été utilisée pour produire du catgut chromique comme matériel de suture chirurgicale (Van Winkle et al., 1975). Il existe diverses autres formes d’agents de réticulation, principalement développés par nécessité pour améliorer les performances des valves cardiaques bioprothétiques et du tissu péricardique in vivo, et pour surmonter les échecs associés à la calcification et à la cytotoxicité. Les agents de réticulation vont des aldéhydes bien connus (formaldéhyde et glutaraldéhyde) aux nouveaux agents de réticulation bifonctionnels tels que les composés polyépoxy et le diisocyanate d’hexaméthylène. D’autres agents de réticulation modernes comprennent les réticulants de longueur zéro tels que l’azide d’acyle et les carbodiimides (Khor, 1997). Même si la réticulation au glutaraldéhyde est toujours utilisée pour stabiliser les structures biologiques, de nouvelles méthodes de réticulation fonctionnelles et peut-être moins cytotoxiques sont en cours de développement. Il s’agit notamment de l’enzyme transglutaminase microbienne, de la génipine, un composé végétal, et de la réticulation dendrimérique multifonctionnelle (Garcia et al., 2007b ; Duan et al., 2007 ; Chang et al., 2002 ; Chan et al, 2008).
On passe de l’utilisation de bioprothèses non dégradables destinées à durer au-delà de la vie du patient à des échafaudages biodégradables, qui sont conçus pour être remodelés in vivo au fil du temps afin de réparer des organes endommagés ou malades (Brody et Pandit, 2007 ; Badylak, 2007). La dégradation des échafaudages doit être contrôlée et se produire en parallèle pour correspondre au taux de régénération des tissus in vivo (Burugapalli et al., 2007). L’échafaudage biodégradable utilisé pour l’ingénierie tissulaire doit également assurer la fonction nécessaire jusqu’à ce que le tissu nouvellement formé puisse assumer cette fonction. Dans un échafaudage biodégradable idéalisé, lorsque les cellules hôtes envahissent et peuplent l’échafaudage implanté, elles sécrètent une nouvelle matrice extracellulaire pour remplacer l’échafaudage d’origine qui se dégrade à un rythme prédéterminé.
Il a été démontré que le taux de dégradation in vitro et in vivo d’un échafaudage biologique peut être adapté par le degré de réticulation (Burugapalli et al., 2007). Liang et al. (2004) ont examiné l’influence du degré de réticulation sur la réponse tissulaire et le modèle de régénération en utilisant du péricarde bovin acellulaire réticulé avec de la génipine. Dans un modèle d’implantation sous-cutanée chez le rat, ils ont constaté que le péricarde bovin acellulaire non réticulé et peu réticulé était rapidement dégradé avant que la formation de nouveaux tissus ne puisse se produire. En revanche, dans l’échafaudage modérément réticulé et hautement réticulé, de nouvelles formations de collagène ont été observées, bien que dans ce dernier, ce processus ait été limité à la couche externe de l’échafaudage en raison de sa plus grande capacité à résister à la dégradation. Lorsque des échafaudages similaires ont été implantés comme patch vasculaire dans un modèle canin (Chang et al., 2004), une couche intacte d’endothélium a été trouvée sur la surface interne de la greffe, ainsi que des fibroblastes hôtes et des cellules musculaires lisses dans la greffe acellulaire. Ce phénomène s’est produit dans une moindre mesure dans le péricarde bovin acellulaire réticulé au glutaraldéhyde utilisé dans l’étude. Cependant, un épaississement intimal involontaire et une métaplasie chondroïde ont été observés avec les deux types d’échafaudage. Dans une autre étude, des péricardes bovins acellulaires réticulés à la génipine ont été utilisés pour réparer des défauts myocardiques dans un modèle de ventricule droit de rat (Chang et al., 2005). Un épaississement intimal couvert de cellules endothéliales a été trouvé sur la surface endocardique. Des cellules mésothéliales ont également été observées sur les surfaces externes du greffon qui est censé résister à l’adhésion. Des cellules musculaires lisses, des fibres néomusculaires, du néocollagène, des néoglycosaminoglycanes et des néocapillaires ont été observés à l’intérieur de l’échafaudage quatre semaines après l’implantation.
La gélatine a été utilisée comme biomatériau pour réparer les défauts des nerfs périphériques (Mligiliche et al., 1999 ; Gamez et al., 2004). Des échafaudages dégradables préparés à partir de gélatine et réticulés avec de la génipine ont été utilisés comme matériau de remplissage dans une chambre tubulaire en silicone et ont servi de matrice extracellulaire pour guider la régénération nerveuse à travers une brèche de 10 mm du nerf sciatique chez le rat (Liu et al., 2004). Il a été démontré que le résidu du matériau de remplissage empêchait la migration et l’élongation des axones (Verdu et al., 2002), et on a pensé que cela était dû au temps de dégradation prolongé du matériau de remplissage en gélatine (Bigi et al., 2002 ; Liu et al., 2004). Lorsque la gélatine réticulée a été utilisée comme conduit tubulaire (au lieu d’un matériau de remplissage) pour combler des lacunes nerveuses similaires, des fibres nerveuses régénérées contenant principalement des axones non myélinisés avec des cellules de Schwann environnantes ont été trouvées à travers la lacune après six semaines, lorsque le conduit a commencé à se dégrader et que la néovascularisation a augmenté (Chen et al., 2005). Il y avait également un tissu cicatriciel dense dans la zone externe du nerf régénéré. Une fine couche de capsule fibreuse a été observée après l’implantation sous-cutanée, ainsi que les réponses inflammatoires aiguës et chroniques attendues.
On a constaté que la concentration du réticulé dictait la dégradation in vivo lorsque des échafaudages réticulés en gélatine-phosphate tricalcique étaient implantés par voie sous-cutanée (Yao et al., 2004). Les échafaudages moins réticulés étaient associés à une dégradation plus importante, tandis que les échafaudages hautement réticulés présentaient une dégradation in vivo minimale. L’utilisation de quantités plus élevées de réticulé a également été associée à une formation accrue de la capsule fibreuse de l’implant qui a été attribuée à la cytotoxicité du réticulé. Lorsque des échafaudages similaires ont été implantés pour réparer des défauts osseux calvariens de lapins, les auteurs ont constaté que les échafaudages se dégradaient progressivement et étaient remplacés par de l’os nouveau, même si ce processus était limité uniquement à l’interface os-échafaudage (Yao et al., 2005). Le même composite réticulé avec du glutaraldéhyde a induit une réponse similaire (Chen et al., 1998). On a observé une dégradation progressive de l’échafaudage composite au fil du temps, à mesure que les échafaudages étaient remplacés par de l’os nouveau et que la matrice acellulaire était déposée à partir du bord du défaut, de façon centripète. Si l’échafaudage artificiel peut être crucial, d’autres facteurs peuvent accélérer le processus de guérison. Par exemple, l’ajout d’une oxygénothérapie hyperbare a considérablement augmenté la formation d’os nouveau, comme le montrent les techniques radiologiques et histomorphométriques (Chen et al., 2004). La présence de facteurs bioactifs, tels que la BMP-2 dans un échafaudage dégradable, a induit une formation osseuse ectopique par voie sous-cutanée et intramusculaire, et semble accélérer la résorption due à l’action des ostéoclastes (Liang et al., 2005 ; Takahashi et al., 2005 ; Kato et al., 2006 ; Yoneda et al., 2005).