Development of a matrix based on Elastin-like polypeptides (ELP) to promote bone neoformation
Développement d’une matrice à base d’Elastin-like polypeptides (ELPs) pour favoriser la néoformation osseuse
Résumé
The reconstruction of large bone segments, as may be necessary in cases of severe trauma osteosarcoma and reconstructive surgery, remains a challenge to be solved. The current clinical approach is based on autologous bone tissue transplantation. This approach is effective but often limited by the amount of tissue that can be removed from the patient. This is why clinicians have turned to the use of synthetic or natural matrices as a support for bone regeneration. However, the effectiveness of these materials is limited in the case of large bone defects. Our objective was to develop a new biomaterial, of the hydrogel type, which not only allows colonization by osteogenic cells, but which also offers a suitable microenvironment for angiogenesis and neurogenesis which are two essential processes for completing bone regeneration. The hydrogel is formed by "Elastin-like polypeptides" (ELPs), which are recombinant polymers produced in the bacterium Escherichia coli. The ELPs used in this study contain methionine residues chemoselectively modified by a thioalkylation reaction to introduce alkene functions allowing subsequent cross-linking with two bioactive peptides containing cysteine residues at the C- and N-termini. The first is able to increase the recruitment of vascular and neuronal cells (IKVAV and YIGSR). The second has a role in the retention of calcium phosphate (SNA15). Different concentrations of hydroxyapatite (HA) particles, a mineral component known for its osteo-(in)(con)ductive properties, were added to the ELPs based hydrogels. To assess the potential for mineralization, the hydrogels with the best characteristics were implanted subcutaneously in mice to select the optimized concentration of HA. They were followed longitudinally after 2 and 4 weeks of implantation by X-ray micro computed tomography (micro-CT). The gels as well as the associated surrounding tissues were explanted for histological analyses. The formation of osteoid tissue was visualized by Masson's trichrome staining in order to distinguish the newly formed bone tissue from the collagen tissue synthesized by the cells. The formation of vascular and neuronal structures, the presence of bone cells, as well as inflammation were provided by immunofluorescence of vascular (Endomucin, Meca32, Podocalyxin), neuronal (β III tubulin), and bone (Osteocalcin) markers. The matrix showing the best results in terms of mineralization, angiogenesis, cell colonization and innervation was thereafter implanted in a condylar bone defect in rats (long bone) as well as in a mandibular defect (flat bone).
La reconstruction de segments osseux, comme cela peut être nécessaire dans les cas de traumatismes sévères de grands volumes, suite à une chirurgie réparatrice ou exèrese d’un ostéosarcome, demeure un défi à résoudre. L’approche clinique actuelle repose sur la greffe autologue de tissus osseux. Cette approche est efficace mais souvent limitée par la quantité de tissus pouvant être prélevée chez le patient. C’est pourquoi les cliniciens se sont tournés vers l’utilisation de matrices synthétiques ou naturelles comme support à la régénération osseuse. Néanmoins, l’efficacité de ces matériaux est limitée dans le cas des défauts osseux de grande taille. Dans ce contexte, notre objectif a été de développer un nouveau biomatériau, de type hydrogel, qui permette non seulement la colonisation par les cellules ostéogéniques, mais qui offre également un microenvironnement favorable à l’angiogenèse et à la neurogenèse, deux processus essentiels à la régénération osseuse complète. L’hydrogel est formé par des « Elastin-like polypeptides » (ELPs), qui sont des polymères recombinants produits chez la bactérie Escherichia coli. Les ELPs utilisés dans cette étude contiennent des résidus méthionine modifiés chimiquement par une réaction de thioalkylation pour introduire des fonctions alcènes. Ces fonctions sont nécessaires à la réticulation par chimie thiol-ène avec deux peptides bioactifs présentant des résidus cystéine aux extrémités C- et N-terminales. Le premier peptide est capable d'augmenter le recrutement des cellules vasculaires et neuronales (IKVAV et YIGSR). Le second a un rôle dans la rétention du phosphate de calcium (SNA15). Différentes concentrations de particules d'hydroxyapatite (HA), un composant minéral connu pour ses propriétés ostéo-(in)(con)ductives, ont été ajoutées aux hydrogels protéiques. Pour évaluer le potentiel de minéralisation, les hydrogels présentant les meilleures caractéristiques ont été implantés par voie sous-cutanée chez des souris afin de choisir la concentration de HA. Ils ont été suivis longitudinalement après 2 et 4 semaines d'implantation par microtomographie aux rayons X (micro-CT). Les gels ainsi que les tissus environnants associés ont été explantés pour des analyses histologiques. La formation de tissu ostéoïde a été visualisée par une coloration au trichrome de Masson afin de distinguer le tissu osseux néoformé du collagène synthétisé par les cellules. La formation de structures vasculaires et neuronales, la présence de cellules osseuses, ainsi que l'inflammation ont été évaluées par immunohistofluorescence avec des marqueurs vasculaires (Endomucine, Meca32, Podocalyxin), neuronaux (β III tubuline), et osseux (Osteocalcine). La matrice présentant les meilleurs résultats en termes de minéralisation, d’angiogenèse, de colonisation cellulaire et d’innervation a été implantée dans un défaut de condyle osseux (os long) ainsi que dans un défaut mandibulaire (os plat) chez le rat.
Origine : Version validée par le jury (STAR)