Face à l’augmentation du nombre de personnes souffrant d’arthrose, des stratégies émergent afin de reconstruire le cartilage. Une équipe de l’Inserm (Unité 1109 « Nanomédecine régénérative ostéoarticulaire et dentaire » Inserm/Université de Strasbourg), sous la direction de Nadia Benkirane-Jessel, a mis au point une nouvelle génération d’implants ostéo-articulaires. Leur étude, publiée dans Trends in Biotechnology, montre qu’en combinant des cellules souches et des facteurs de croissance de l’os, ces implants intelligents permettent de régénérer une articulation abimée.

Les articulations, zones de jonction entre deux os, accompagnent nos mouvements et nos efforts. Leur mobilité est assurée par le cartilage, qui tapisse les extrémités osseuses (os-sous-chondral) et permet le glissement des deux os l’un sur l’autre. Fragile, le cartilage s’use avec l’âge jusqu’à disparaitre peu à peu. On parle d’arthrose lorsque la destruction du cartilage s’étend aux autres structures de l’articulation, notamment l’os sous-chondral.

A l’heure actuelle, en dehors de la pose d’une prothèse, une des techniques utilisées pour réparer le cartilage consiste à injecter dans l’articulation du patient un échantillon de ses propres cellules de cartilage (chondrocytes). Toutefois, comme la réparation a lieu sur un os abimé, les résultats ne sont pas toujours satisfaisants.

Nadia Benkirane-Jessel et son équipe, spécialisée en nanomédecine régénérative, ont alors imaginé une nouvelle génération d’implants, composés de deux compartiments :

– le premier compartiment est une membrane nanofibreuse (à base de collagène et de polycaprolactone) conçue pour ressembler à la matrice extracellulaire entourant le cartilage. Des nanoréservoirs, recouvrant les fibres de cette membrane, renferment des facteurs de croissance de l’os.

– le second compartiment est une couche d’hydrogel (d’alginate et d’acide hyaluronique) contenant des cellules souches dérivées de la moelle osseuse du patient. Ces cellules peuvent se différencier aussi bien en cellules de l’os (ostéoblastes) qu’en cellules du cartilage (chondrocytes).

L. Keller, P. Schwiinté, Nadia Benkirane-Jessel UMR 1109, Laboratoire de Nanomédecine Régénérative Ostéoarticulaire et Dentaire, Inserm, Université de Strasbourg, HUS de Strasbourg, ARTiOS Nanomed (spin off Inserm).

Cette organisation en trois dimensions mime l’environnement physiologique de l’articulation et offre une porosité adéquate pour l’infiltration des cellules souches. Lorsque ces cellules grandissent et se divisent, elles s’infiltrent plus profondément dans la membrane poreuse et déclenchent la libération des facteurs de croissance, qui à leur tour stimulent la prolifération des cellules.

Comparée à d’autres traitements, cette technologie offre une double action thérapeutique : en plus de réparer le cartilage, elle régénère l’os sous-chondral situé juste en dessous.

Les chercheurs ont validé cette technique sur différents modèles animaux, et sont en attente de financement afin de lancer les essais cliniques de phase I chez l’homme. « Ces essais seront conduits sur 30 patients (de 18 à 50 ans) ayant des lésions du genou, et recrutés dans trois pays (France, Angleterre, Espagne). L’implant, déjà breveté, sera mis en place par un seul acte chirurgical. La membrane de nanoréservoirs est déposée en premier sur l’articulation lésée, puis les cellules souches y sont ajoutées » précise Nadia Benkirane-Jessel,  directrice de recherche à l’Inserm.

Si les essais sont concluants, cette technologie innovante permettra de réparer de façon robuste et durable les articulations en cas d’arthrose ou de lésions articulaires.

Une équipe de chercheurs du laboratoire I-STEM (CECS/AFM-Téléthon/Inserm), dirigée par Alexandra Benchoua et Marc Peschanski, en collaboration avec les Pr Thomas Bourgeron (Institut Pasteur/Université Paris Diderot/CNRS) et Richard Delorme (Hôpital Robert Debré/AP-HP), ont mis en évidence le potentiel thérapeutique du lithium chez une patiente atteinte d’un trouble autistique rare associé au gène SHANK3. Cette molécule, habituellement utilisée pour traiter les troubles bipolaires, a pu être identifiée grâce au criblage à haut débit de composés chimiques sur des neurones humains obtenus à partir de cellules souches pluripotentes dont celles de la patiente traitée. Cette étude constitue une première étape vers le développement d’outils permettant une approche médicale plus personnalisée des personnes atteintes de troubles du spectre autistique. Ces travaux ont été publiés le 27 mai 2016 dans la revue EBioMedicine.

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Les troubles du spectre autistique (TSA) forment un groupe hétérogène de troubles neuro-développementaux qui affectent 1% de la population. Ils représentent un défi pour le développement de pharmacothérapies efficaces en raison de la complexité des symptômes et des degrés de sévérité très variables des symptômes. Pour 10 à 30% des patients avec autisme et déficience intellectuelle, une cause génétique a été identifiée. On estime qu’environ 1 à 2% des enfants avec autisme et retard mental présentent une déficience du gène SHANK3, celle-ci étant responsable du syndrome de Phelan-McDermid (la très grande majorité des patients atteints de ce syndrome ont perdu un fragment du chromosome 22 portant une copie de SHANK3). C’est principalement à cette population que s’est adressée l’étude. La perte d’une des deux copies de SHANK3 cause une diminution de la quantité de la protéine SHANK3 et entraine des atteintes principalement au niveau des points de contacts entre les neurones (les synapses). L’objectif des chercheurs a donc été d’identifier les médicaments susceptibles d’accroitre l’expression du gène en activant la seconde copie toujours fonctionnelle. Toutefois, SHANK3 n’étant exprimé que dans les neurones, il a donc fallu, pour mener cette approche, franchir une barrière technologique consistant à produire in vitro des neurones humains portant les mutations des patients à traiter.

Les chercheurs ont donc développé un modèle permettant de produire des neurones humains à partir de cellules souches pluripotentes. Ce modèle a permis de réaliser un criblage à haut débit de composés pharmacologiques afin de choisir ceux augmentant l’expression de SHANK3 dans les neurones et donc ayant le plus de chance d’être efficace. Les composés identifiés ont ensuite été testés sur des neurones de patients porteurs de mutations SHANK3. Parmi les 202 composés testés, le lithium et l’acide valproïque ont montré la meilleure efficacité, en permettant de rétablir des niveaux corrects de SHANK3 et donc d’améliorer le fonctionnement des cellules neuronales. Une pharmacothérapie au lithium a ensuite été proposée à une des patientes pour laquelle le lithium avait prouvé son efficacité lors des tests in vitro pratiqués sur ses propres neurones.

Après un an de traitement, cette étude pilote a permis de mettre en évidence chez la patiente une diminution encourageante du degré de sévérité de l’autisme. Les chercheurs envisagent aujourd’hui la mise en place d’un essai randomisé en double aveugle pour confirmer ces résultats chez un plus grand nombre de patients atteints de ce trouble autistique lié aux mutations de SHANK3.

Plus largement, cette étude montre que les neurones dérivés de cellules souches pluripotentes offrent un modèle cellulaire exploitable et pertinent dans la recherche de traitements spécifiques pour les troubles autistiques liés à des anomalies génétiques. La méthodologie utilisée pourrait ainsi ouvrir la voie à une médecine de précision pour des maladies psychiatriques ou neurologiques.

Ces travaux ont été soutenus par le programme Investissements d’avenir, de l’Agence nationale pour la recherche, de la Fondation Bettencourt-Schueller, de la Fondation Conny-Maeva, de la Fondation Cognacq Jay, de la Fondation Orange, de la Fondation Fondamental, des laboratoires Servier ainsi que par l’AFM-Téléthon grâce aux dons du Téléthon.

Tout au long de la vie, la colonne vertébrale est extrêmement sollicitée. Son usure retentit très vite sur la qualité de vie, le mal de dos étant souvent qualifié de mal du siècle. 40 % des douleurs dorsales seraient dues à une dégradation irréversible des disques intervertébraux qui forment des « coussins » entre les vertèbres et ne peuvent plus jouer leur rôle d’amortisseurs des chocs. Des chercheurs de l’Inserm sous la responsabilité de Jérôme Guicheux (Unité Inserm 791 « Laboratoire d’ingénierie ostéo articulaire et dentaire » à Nantes) ont réussi à transformer des cellules souches adipeuses en cellules qui pourraient être capables de remplacer des disques abimés. Ce travail est publié dans la revue Stem cells.

Notre colonne vertébrale est constituée d’un empilement de vertèbres. Son articulation et sa flexibilité sont possibles grâce à la présence des disques intervertébraux qui forment comme des « coussins » entre les vertèbres. Les pathologies dégénératives des disques vertébraux sont liées aux sollicitations importantes et répétitives auxquelles est soumise la colonne vertébrale tout au long de la vie : port de charges, sports, mouvements répétitifs, torsion. Avec le temps, les disques s’usent, se dégradent et ne peuvent plus jouer leur rôle d’amortisseur. Si ces pathologies sont d’apparition lente et progressive, elles se traduisent rapidement par des douleurs au niveau de la zone où les disques sont endommagés. On estime que la dégénérescence des disques intervertébraux est responsable d’environ 40% des douleurs lombaires. Les recherches actuelles se focalisent donc sur la mise au point de traitements qui ralentissent ou empêchent la dégénérescence des disques et des cellules qui les composent.

D’un point de vue physiologique, le noyau pulpeux, la partie centrale des disques intervertébraux, est le premier touché. Il est composé en grande partie d’eau, ce qui lui confère ses propriétés d’amortisseur. Avec l’âge, les cellules pulpeuses deviennent progressivement moins prolifératives, plus sujettes à l’apoptose et incapables de produire cette fameuse matrice extracellulaire très hydratée.

Comment alors les remplacer par des cellules fonctionnelles ? Les chercheurs se sont intéressés au tissu adipeux qui constitue un grand réservoir de cellules souches capables de se différencier dans une vaste gamme de types cellulaires. Encore fallait-il trouver le bon protocole pour réussir à ce que des cellules souches du tissu adipeux puissent se transformer en cellules du noyau pulpeux.

Une recette finement dosée

La mise au point de ce protocole peut s’apparenter à une recette de cuisine. Les chercheurs ont su trouver les bons ingrédients et le bon dosage afin qu’elle soit réussie. La stratégie gagnante a consisté à ajouter au milieu cellulaire une combinaison de deux facteurs de croissance, du TGFβ et du GDF5. En 28 jours les chercheurs ont obtenu in vitro, à partir de tissu adipeux prélevé chez neufs patients, des cellules de noyau pulpeux fonctionnelles et ressemblant à celles existantes naturellement dans les disques intervertébraux.

« Le protocole s’est avéré être une réussite indépendamment de l’âge et du poids des patients »  précise Jérôme Guicheux.

Nous devions néanmoins aller plus loin car ces cellules n’avaient aucune chance de survivre en étant réimplantées seules dans un disque intervertébral abimé et dépourvu de tout le substrat nutritif qui leur est nécessaire. »

La seconde astuce a donc été de coupler ces cellules à un biomatériau de synthèse pour récréer un environnement favorable à leur multiplication une fois qu’elles seraient injectées dans le disque intervertébral. Les chercheurs ont évalué l’activité biologique de ces cellules in vivo après leur transplantation chez la souris. « Ce dispositif est celui qui se rapproche le plus d’une transplantation intradiscale chez l’homme. Nous avons démontré que le protocole que nous appliquons à ces cellules était suffisant pour qu’elles conservent leur activité sécrétoire spécifique et leur phénotype spécialisé une fois réinjectées in vivo. »

Ce travail de médecine régénératrice permet désormais aux chercheurs d’envisager la prochaine étape avant le passage en clinique : tester l’efficacité thérapeutique de ces cellules toutes neuves dans un modèle animal pertinent de pathologie dégénérative des disques vertébraux.

(c) S Renaudin/le Design de Solène pour l’Inserm

Une équipe de l’Institut Langevin (ESPCI, CNRS, Inserm) dirigée par Mickaël Tanter, directeur de recherche Inserm à l’ESPCI, vient de franchir une étape déterminante vers l’imagerie médicale très haute résolution utilisant des ondes ultrasonores. Les chercheurs sont parvenus à rendre compte de l’activité vasculaire du cerveau d’un rat in vivo et de manière non invasive, avec une résolution bien meilleure que n’importe quelle technique existante. Loin de l’échographe standard, la technique s’inspire plutôt de la super résolution optique (FPALM) qui avait été récompensée du Prix Nobel de Chimie 2014. Leurs travaux, publiés dans la prestigieuse revue Nature, constituent une véritable révolution pour l’imagerie biomédicale, en offrant la première technique d’imagerie microscopique permettant de voir en profondeur dans les tissus. Les applications potentielles sont immenses, de la détection précoce de tumeurs cancéreuses à d’autres pathologies cardiovasculaires et neurologiques.

Représentation du système microvasculaire du cerveau d’un rat à partir des vitesses des bulles qui le parcourent © ESPCI / Inserm / CNRS

Accéder aux détails microscopiques de la matière vivante représente encore aujourd’hui un défi difficile à relever. Quelle que soit la technique utilisée, les chercheurs se heurtent à un obstacle de taille : plus la longueur d’onde est petite, plus l’absorption et la diffusion des ondes dans les tissus sont importantes, diminuant le pouvoir de pénétration du signal. Il faut donc choisir entre pouvoir de pénétration et résolution de l’image. Pourtant depuis une vingtaine d’années des progrès considérables ont été réalisés en imagerie par ultrasons particulièrement adaptée à l’imagerie préclinique et clinique, dont l’équipe de Mickaël Tanter est une des pionnières. Ces scientifiques ont mis au point un échographe ultra-rapide, qui équipe déjà de nombreux hôpitaux dans le monde. Mais cette fois, ils ont poussé la technique encore plus loin, atteignant une résolution spatiale inégalée en imagerie médicale : celle du micromètre (1 millième de millimètre).

Tout commence en 2009, lorsque Mickaël Tanter donne une conférence sur l’imagerie par ultrasons aux États-Unis et assiste à la présentation d’une nouvelle technique de microscopie optique à fluorescence avec une résolution meilleure que la limite de diffraction, barrière pourtant supposée infranchissable. L’invention de cette technique optique vaudra d’ailleurs à ses inventeurs le Prix Nobel de Chimie en 2014. Le chercheur français comprend que le concept des opticiens et chimistes américains, limité à une imagerie de surface, pourrait être transposé dans le monde des ondes ultrasonores en utilisant un des échographes ultrarapides de son laboratoire. Dès son retour en France, il propose à son collègue Olivier Couture, chercheur CNRS dans son équipe, de s’en inspirer pour développer leur propre technique à base d’ultrasons.

Les chercheurs décident alors d’utiliser un agent de contraste, ici des microbulles de 3 µm de diamètre déjà employées dans le domaine médical. Après plusieurs années de recherche en collaboration avec une équipe de neurobiologie (ESPCI/CNRS) dirigée par Zsolt Lenkei, directeur de Recherche Inserm, ils parviennent à injecter ces multitudes de microbulles dans une veine d’un rat. La cadence ultrarapide d’acquisition de 5000 images par seconde permet d’extraire de manière très précise le signal individuel provenant de chaque microbulle du bruit de l’ensemble des signaux rétrodiffusés. Leurs positions uniques peuvent alors être localisées individuellement par ultrasons avec une précision micrométrique lors de leur passage dans le cerveau.

En retraçant la position exacte de chaque bulle à chaque instant, les chercheurs ont réussi à reconstituer une cartographie complète du système vasculaire cérébral du rat vivant en quelques dizaines de secondes. Les détails sont tels qu’ils peuvent dissocier des vaisseaux sanguins séparés de quelques micromètres, alors que la résolution était jusqu’ici de l’ordre du millimètre et limitée par la diffraction.

Des applications directes

Le gain en résolution est énorme, d’un facteur 20 en moyenne, d’autant plus que la technique est non invasive et rapide ce qui est très important pour le confort du patient. « Nous pensons être à l’aube d’une nouvelle révolution dans le domaine de l’imagerie médicale, confie Mickaël Tanter. En quelques dizaines de secondes, nous pouvons déjà recueillir des millions de signatures de nos microbulles et atteindre des résolutions microscopiques à plusieurs centimètres de profondeur. Nous pensons pouvoir encore accélérer cette technique pour réaliser ces images en une à deux secondes ouvrant ainsi la voie à l’imagerie fonctionnelle en super-résolution».

La technique sera prochainement évaluée sur l’homme, en particulier pour visualiser la micro-vascularisation hépatique chez des patients atteints de tumeurs du foie, ou encore pour l’imagerie trans-crânienne très haute résolution du réseau vasculaire cérébral chez l’adulte. Les applications potentielles sont très nombreuses, y compris la détection précoce de cancers dont la micro-vascularisation est à ce jour impossible à détecter. En fait n’importe quel organe pourra être imagé en 3D à l’échelle microscopique, via un appareil très peu volumineux.

Alors que la plupart des techniques actuelles de microscopie s’appuient sur des approches optiques limitées à une imagerie en surface, ce sont finalement les ultrasons qui viennent résoudre pour la première fois la question de l’imagerie microscopique en profondeur dans les organes.

A la suite d’un traumatisme crânien ou d’un arrêt cardiaque récupéré, il est difficile de déterminer l’évolution des patients dans le coma. Des chercheurs de l’unité 825 « Imagerie cérébrale et handicaps neurologiques » (Inserm – Université Toulouse III – Paul Sabatier) en collaboration avec le CHU de Toulouse, montrent que la qualité de la communication entre deux structures du cerveau prédit la récupération du patient à 3 mois. Ce nouvel indicateur obtenu grâce à l’analyse IRM du cerveau de patients au repos, serait une aide supplémentaire pour établir un pronostic.

Les résultats de cette étude sont publiés dans la revue Neurology le 11 novembre 2015.

© Inserm

La conscience apparait comme un processus mental complexe et indissociable de notre existence. Cette capacité́ est en effet relativement instable. Elle disparaît de manière cyclique dans la journée (veille-sommeil) et peut être modifiée par l’administration de certains médicaments (anesthésie). Enfin, elle peut être abolie, de manière plus ou moins complète et définitive suite à une agression cérébrale : c’est le coma. Dans cette situation, il est très difficile de déterminer quels sont les patients qui en sortiront et récupéront un état de conscience normal, ou au contraire garderont des séquelles neurologiques lourdes, à l’origine d’un handicap important (état végétatif, état de conscience minimale).

Dans cette étude, les chercheurs se sont intéressés aux anomalies cérébrales responsables de la perte de la conscience observée pendant le coma. Ils ont comparé l’activité cérébrale au repos de 27 patients dans cet état et des sujets contrôles du même âge, à l’aide des enregistrements en Imagerie par Résonance Magnétique Fonctionnelle.

Deux régions cérébrales ne communiquent plus ensemble

Les scientifiques ont analysé en particulier les communications de l’ensemble du cerveau avec une structure située en arrière du cerveau appelée Cortex Postéro-Médian (CPM). Pendant le sommeil ou lors d’une anesthésie, cette région charnière a une activité diminuée. Cette structure est composée de deux zones que les chercheurs ont étudiées (le précuneus et le cortex cingulaire postérieur).

Une perte de communication majeure entre le CPM, particulièrement au niveau du cortex cingulaire postérieur, et la partie antérieure du cerveau (Cortex Frontal Médian, CFM) est constatée chez tous les patients dans le coma. Cette mauvaise connexion est présente quel que soit le mécanisme qui en est à l’origine (un traumatisme crânien ou un arrêt cardiaque récupéré). Cette observation suggère le rôle majeur de l’interaction entre ces deux structures dans l’émergence de la conscience chez l’homme.

Représentation 3D du cerveau et des zones impliquées (en bleu le cortex cingulaire postérieur, en jaune le cortex frontal médian) ©Unité Inserm 825

L’équipe est allée plus loin en évaluant le niveau d’altération de cette connexion (CPM-CFM) au cours du temps. Les chercheurs de l’Inserm ont comparé les enregistrements quelques jours après l’agression cérébrale et le début du coma à l’évolution neurologique des patients trois mois après. Il s’avère que la récupération des patients est étroitement liée au degré d’atteinte de cette connexion.

« Les patients qui vont récupérer un état de conscience présentent des niveaux de connexions comparables à ceux observés chez les sujets sains. A l’opposé, une diminution de la communication entre les deux zones prédit une évolution défavorable vers un état végétatif ou un état de conscience minimale, »

Ces résultats constituent une étape importante pour comprendre l’émergence des perceptions conscientes du monde extérieur. Ils sont prometteurs car les neurologues pourraient utiliser ce paramètre pour l’évaluation du pronostic et l’adaptation des traitements du patient dans le coma. Néanmoins, les recherches devront se poursuivre pour décrypter les mécanismes sous-jacents du coma qui restent aujourd’hui peu connus.