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Le génie tissulaire, du rêve à la réalité:
Cette citation du Professeur Bernard illustre à quel point un esprit clairvoyant peut voir au loin des perspectives extraordinaires là où d'autres ne voient qu'une morne ligne d'horizon sans relief. Il fallait une grande audace intellectuelle pour entrevoir, il y a plus d'un quart de siècle, le domaine de la reconstruction tissulaire que l'on nomme désormais le génie tissulaire. La révolution du génie tissulaire s'annonce prometteuse à l'aube du XXIe siècle car elle ouvre un nouveau chapitre dans les approches biomédicales contribuant à la diminution des souffrances humaines. De nombreux espoirs ont été soulevés par le génie tissulaire, et ne sauraient être jaugés avec justesse tant qu'une vision claire de ce domaine n'aura pas été présentée à la communauté scientifique et au grand public. Jusqu'à maintenant, les organes de remplacement étaient obtenus par une greffe classique. Il y a eu d'incroyables et magnifiques succès dans ce domaine. De nombreux patients à travers le monde ont pu être sauvés grâce à différents types de transplantations: les greffes de foie, de moelle osseuse, de coeur, de poumon, de cornée, de reins, etc. Mais ces réussites remarquables sont aussi accompagnées par différents inconvénients. Un des exemples les plus frappants est la liste d'attente établie aux Etats-Unis pour les patients devant recevoir une greffe de foie, qui comprend plus de 30 000 personnes pour lesquelles une transplantation est le seul espoir de survie. Malheureusement, seulement 3000 d'entre elles auront la chance de bénéficier de cette chirurgie. La situation est comparable pour bien d'autres organes. On se doit également de noter que des considérations d'ordre culturel interdisent dans différents pays, à travers le monde, ce type d'intervention chirurgicale. De plus, il s'est avéré au cours des dernières années que les greffes d'organes présentaient un risque significatif de transmission virale, tel le VIH. Bien que des mesures aient été prises pour limiter ce risque, le danger demeure. Il en va de même pour les xénotransplantations. Qui plus est, un inconvénient majeur lié à ce type de transplantation réside dans l'obligation pour le patient de suivre un traitement immunosuppresseur à vie, avec tous les problèmes inhérents à cette thérapeutique, même si certains patients développent à terme une tolérance au greffon. Définition de la régénération et du génie tissulaire Une certaine confusion existe quant à la définition exacte du génie tissulaire au sens large du terme. En fait, aucune définition ne peut décrire ce domaine de façon exhaustive. Les différentes approches utilisées donnent une meilleure vision d'ensemble de ce qu'est la régénération tissulaire et de la place qu'occupe le génie tissulaire en son sens plus circonscrit. Son but principal est la reconstruction tant des tissus que des organes humains. Ainsi, les constants progrès en biologie laissent entrevoir la possibilité de reproduire des tissus biologiquement actifs. Trois approches pour la régénération tissulaire peuvent être répertoriées:
La thérapie cellulaire permet d'implanter des cellules dans le corps humain sous forme encapsulée ou non, ou dans un site isolé du système immunitaire. Cette technique permet habituellement de corriger un déficit sécrétoire, hormonal ou autre. Ainsi, c'est l'approche qui est privilégiée dans le traitement à long terme des maladies comme le diabète par l'encapsulation et la transplantation de cellules saines hétérologues, ou la maladie de Parkinson, qui a été traitée par des transplantations allogéniques ou xénogéniques, le système nerveux central étant un « sanctuaire » immunologique dépourvu de mécanisme de rejet. Une autre approche consiste à prélever des cellules autologues déficientes en un gène particulier, comme dans la dystrophie de Duchenne où les cellules musculaires du patient sont déficientes en dystrophine, et à leur transfecter in vitro ce gène avant de les réimplanter dans les muscles du patient. L'approche des structures de guidage quant a elle a pour objectif de baliser, en quelque sorte, le potentiel régénératif de l'organisme grâce à l'utilisation de structures tridimensionnelles menant à des tissus ou des organes actifs. Ainsi, un « moule » du tissu à reconstruire est créé avec les matériaux adéquats, lesquels peuvent éventuellement être enrichis avec des molécules stimulant la croissance cellulaire. Ces biomatériaux se doivent d'être biocompatibles et biodégradables, leur rôle étant de favoriser la pénétration des cellules de façon ordonnée après greffe, tout en les poussant à produire leur propre matrice extracellulaire. De tels biomatériaux sont donc implantés dans le corps humain sans qu'ils contiennent au préalable de cellules. Enfin, il existe une définition consensuelle du génie tissulaire : Le génie tissulaire est l'application de principes et méthodes du génie ainsi que des sciences de la vie dans le but de comprendre en profondeur les relations entre les structures et les fonctions dans des tissus normaux et pathologiques de mammifères et de développer des substituts biologiques afin de restaurer, maintenir et améliorer la fonction de ces tissus. En résumé, le génie tissulaire est un nouveau domaine biomédical regroupant les principes de la biologie cellulaire et du génie biologique, qui permet de reconstruire des structures proches des tissus à partir de cellules vivantes pour des usages in vivo ou ex vivo. Le concept clef en est la reproduction de l'architecture tissulaire, quoiqu'avec des caractéristiques simplifiées, laquelle conduit à une intégration immédiate et interactive de ces tissus dans le corps humain. Ainsi, le domaine du génie tissulaire a démontré sa capacité technologique majeure par le développement d'organes reconstruits en laboratoire, mais a également profité d'une poussée considérable due aux limites rencontrées par les techniques classiques de greffe. La création d'organes adaptés aux besoins des patients, avec un bon contrôle de qualité est une réussite remarquable qui vient compléter l'arsenal thérapeutique de la médecine moderne. Il faut aussi préciser que ces substituts peuvent servir à diverses études in vitro. Enfin, cette approche biotechnologique complète de façon très élégante d'autres traitements de haute technologie comme la thérapie génique et la libération contrôlée de médicaments. On comprend mieux maintenant les nombreuses raisons pour lesquelles le génie tissulaire produit un tel enthousiasme, non seulement auprès du monde biomédical, mais aussi dans les sphères financières. L'impact de ce nouveau domaine promet d'être considérable. Approches du génie tissulaire Dans le but de clarifier ce domaine en constante évolution, trois principales méthodes peuvent être décrites. La méthode basée sur la production d'un gel de collagène a été la première à démontrer les vastes possibilités du génie tissulaire. Les premiers travaux de reconstruction tissulaire réalisés ont mis en évidence que l'incorporation de fibroblastes dans un gel de collagène permettait de produire des équivalents de derme pouvant être ensuite épidermisés par ensemencement de kératinocytes à leur surface. Le résultat final, une peau reconstruite vivante, peut atteindre un excellent niveau de différenciation dans des conditions de culture adéquates et de nombreux aspects de la différenciation terminale des kératinocytes peuvent ainsi être reproduits. Cette méthode de reconstruction tissulaire s'est avérée applicable pour l'élaboration de nombreux autres organes à des visées cliniques (transplantation) ou fondamentales (modélisation tissulaire in vitro). Cependant, il n'est pas certain que cette méthode permette d'obtenir des tissus ayant la résistance mécanique indispensable à leur application clinique. Cet aspect mécanique est l'une des raisons qui ont poussé au développement d'une seconde approche, basée sur l'utilisation de biomatériaux colonisables par les cellules et leur culture in vitro. Ainsi, les cellules une fois incorporées dans ces supports sécrètent des quantités variées de matrice extracellulaire conduisant à la reconstruction d'une structure tissulaire proche du tissu d'origine, mais comprenant également la trame biodégradable du biomatériau. La résistance mécanique de ces tissus est indubitablement améliorée; cependant, la présence d'un tel squelette biodégradable peut présenter un désavantage significatif en particulier dans les organes pulsatiles, comme les vaisseaux sanguins, en raison d'une incompatibilité de compliance mécanique entre les cellules et leur matrice extracellulaire d'une part, et la structure du biomatériau d'autre part. De plus, le processus de biodégradation de ces biomatériaux s'avère être un processus plus complexe que ce qui fut initialement entrevu. La troisième approche, initiée par notre groupe, au LOEX, est basée sur une méthode différente. Cette méthode s'est inspirée de diverses observations que nous avons faites en reconstruisant différents organes avec les deux premières techniques exposées précédemment. Elle tire profit des formidables propriétés exprimées par les cellules humaines lorsque celles-ci sont cultivées dans des conditions adéquates. La première, et plus importante propriété développée spontanément par ces cellules in vitro est leur capacité à s'auto-assembler en un tissu cohérent, tout en s'entourant de leur propre matrice extracellulaire. Par la suite, des paramètres de culture adéquats avec une orientation optimale des cellules et une augmentation des stress mécaniques générés par les cellules elles-mêmes sont combinées. Les tissus qui en résultent sont non seulement dénués de tout matériau exogène, mais aussi présentent des propriétés mécaniques très intéressantes. Les qualités exceptionnelles de ce tissu reconstruit in vitro devraient être d'un intérêt significatif pour des applications cliniques. À l'heure actuelle, deux substituts tissulaires ont été recréés par cette approche particulière au génie tissulaire. Tout d'abord, nous avons reconstruit le premier vaisseau sanguin exclusivement composé de cellules humaines. Cette percée mondiale fut l'aboutissement de plusieurs tentatives qui menèrent au modèle achevé. Le substitut est constitué de feuillets produits à partir de cellules musculaires lisses (CML) ainsi que de fibroblastes qui sécrètent une abondante matrice extracellulaire grâce à un milieu enrichi tout particulièrement en acide ascorbique. Le feuillet de CML (média) est enroulé autour d'une tige (pipette) donnant non seulement la forme tubulaire désirée, mais aussi permettant de préserver une lumière centrale pour le vaisseau reconstruit. Après quelques semaines de maturation, la seconde couche (adventice) est enroulée autour de la média produite par l'enroulement du feuillet de CML autour de la tige. Enfin, après un temps de maturation additionnel, ces substituts vasculaires sont endothélialisés par simple ensemencement de cellules endothéliales dans leur lumière. Un bioréacteur maison a permis de mieux contrôler les conditions de culture. Quant au substitut cutané recréé par cette méthode, il est composé d'une superposition de feuillets de fibroblastes obtenus dans des conditions semblables à celles décrites précédemment. Par la suite, la couche épidermique est obtenue par simple ensemencement de surface. Ce modèle possède des caractéristiques physiologiques des plus intéressantes. Il pourrait s'agir du modèle de peau reconstruite le plus sophistiqué à l'heure actuelle. Ces deux substituts se caractérisent par des propriétés biologiques et mécaniques remarquables par rapport aux autres méthodes décrites dans la littérature. Le niveau de différenciation cellulaire et la présence d'éléments complexes comme les membranes basales, les jonctions serrées ainsi que les hémidesmosomes, en sont une preuve. Les conditions que nous avons déterminées pour nos substituts, tant sur le plan des milieux de culture que des contraintes mécaniques, conduisent à des résultats plus proches de leur contrepartie physiologique que toute autre méthode. Perspectives L'objectif de cette revue n'est pas de faire un inventaire complet de toutes les applications du génie tissulaire dans les différents systèmes biologiques; cependant, l'énumération de tels systèmes est déjà en soi une preuve du très haut intérêt que suscite ce domaine et donne un aperçu de l'impact clinique qu'il aura. D'ailleurs, l'impact commercial est déjà impressionnant. Aux USA, le coût des soins de santé reliés aux traitements des pertes de tissus et de la dégénération tissulaire est très élevé: 35 millions de patients chaque année engendrent des dépenses directes et indirectes de 335 milliards de dollars-US. Les coûts à travers le monde sont, sans nul doute, tout aussi impressionnants. Même si le génie et la régénération tissulaire ne pourront pas être applicable, à l'ensemble de ces patients, la contribution thérapeutique de ces domaines sera très significative, surtout si l'on envisage d'appliquer ces approches de concert avec d'autres outils thérapeutiques comme la thérapie génique et la libération contrôlée de médicaments. La thérapie génique a soulevé beaucoup d'espoirs, mais s'avère plus difficile qu'initialement prévu à introduire comme modalité thérapeutique. De nombreuses raisons expliquent cette situation, la principale étant certainement la difficulté qu'il y a d'introduire les gènes de correction dans des cellules cibles. Beaucoup d'approches se sont avérées impraticables, ou utilisent différents virus qui apportent chacun leurs propres inconvénients. Cependant, l'introduction de gènes actifs dans des équivalents tissulaires in vitro et l'implantation de ceux-ci au niveau des sites anatomiques adéquats reste une solution très intéressante. De plus, un contrôle de qualité des niveaux de sécrétion des molécules souhaitées peut être facilement obtenu in vitro avant l'implantation. Enfin, le gène ainsi transplanté peut être retiré si nécessaire par ablation du tissu si l'on utilise une greffe cutanée. On peut dès lors voir tout l'intérêt que peut avoir, par exemple, l'implantation d'un vaisseau sanguin reconstruit par génie tissulaire dans une telle approche. La libération contrôlée de médicaments peut elle aussi être appliquée selon le même concept. Ainsi, le biomatériau ou la matrice extracellulaire peuvent être enrichis d'une molécule spécifique avec pour objectif, que celle-ci soit libérée à une quantité et selon une vitesse contrôlée au niveau du site d'implantation. Les possibilités sont, de ce fait, immenses. Conclusion Les différentes méthodes du génie tissulaire ont déjà ouvert une nouvelle voie dans le domaine de la transplantation d'organes. L'utilisation de cellules adultes ou de cellules souches adultes permet d'éviter plusieurs des problèmes éthiques complexes liés à l'utilisation de cellules souches embryonnaires. Il semble donc bien établi que le génie tissulaire prendra une place de choix dans l'arsenal thérapeutique du XXIe siècle. De plus, ce domaine de la biotechnologie voit sa valeur décuplée par le fait qu'il se marie déjà de façon très productive avec d'autres outils biologiques d'avenir. Références
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