Développement et évaluation d'un procédé basé sur l'utilisation de la technologie du CO2 supercritique pour la purification d'une matrice osseuse xénogénique

Development and evaluation of a process based on supercritical CO2 for the purification of a xenogenic bone matrix

• Auteur / Autrice : Solène Rota
• Direction : Emmanuel Pauthe, Michel Boissiere, Raphaël Bardonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé - Cergy
• Date : Soutenance le 19/05/2022
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe de recherche sur les relations matrice extracellulaire-cellules (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Biothèque internationale Jean Mérieux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Pauthe, Michel Boissiere, Raphaël Bardonnet, Halima-Assia Kerdjoudj, Jean-Christophe Fricain, Caroline Gorin, Jean-Marc Collombet, Olivier Gallet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Halima-Assia Kerdjoudj, Jean-Christophe Fricain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Os -- Régénération (biologie)

Mots clés libres

Ingénerie tissulaire

CO2 supercritique

Régénération osseuse

Biomateriaux

Tissue Engineering

Supercritical CO2

Bone regeneration

Biomaterials

Résumé

Il existe de nombreuses situations traumatiques ou pathologiques qui peuvent engendrer des lésions osseuses importantes. Dans de nombreux cas, le tissu osseux dégradé ne peut pas guérir spontanément et sa réparation représente un enjeu thérapeutique majeur. Il convient alors de faire appel à des greffons osseux capables de garantir un comblement et une reconstruction du tissu lésé.En alternative à l'autogreffe le tissu osseux allogénique représente aujourd'hui une approche de plus en plus utilisée. Cependant tandis que la demande des chirurgiens en matière de substituts osseux ne cesse de croitre, l'utilisation de tissus humains reste limitée en raison de fortes contraintes sanitaires et réglementaires. Une des alternatives émergeantes est la source xénogénique. Ces substituts d'origine animal sont intéressants d'un point de vue économique et normatif, ce qui rend leur commercialisation plus facile à l'échelle mondiale. Toutefois, leur utilisation en clinique et chez l'Homme reste conditionnée par la mise en œuvre de procédés de purification assurant leur innocuité et garantissant leur performance en termes de régénération osseuse.L'objectif de ce travail a donc été d'une part d'identifier et sélectionner une source d'os d'origine xénogénique présentant des caractéristiques biologiques proches de celles de l'os humain et d'autre part d'explorer les potentialités de la technologie du CO2 supercritique pour sa purification et mise en œuvre.Ainsi, après une étude extensive de différentes sources, une matrice osseuse spécifique d'origine porcine a été sélectionnée. Les matrices ont tout d'abord été caractérisées après application du procédé utilisé, initialement pour la purification des allogreffes osseuses, le procédé supercrit® de BIOBank. Dans un second temps, l'optimisation du procédé a été recherché dans un but de diminution de l'agressivité du traitement et de préservation du tissu. Pour cela, des ajustements de solvants, de leur concentration, mais aussi des paramètres de traitement ont été explorés et testés. De multiples caractérisations physico-chimiques, biochimiques et des approches de biophysique ont permis d'évaluer l'efficacité et avantage des modifications du procédé supercrit® standard. De plus, des études animales d'implantation en site osseux (calvaria de rat) ont été menées afin de quantifier, par analyse micro-CT et histologie, la capacité des greffons produits à régénérer le tissu osseux et d'évaluer la réaction inflammatoire.Il apparait clairement que la matrice animale sélectionnée et purifiée par le procédé Supercrit® de référence présente des similitudes avec l'os humain. Après amélioration et ajustement du traitement de purification, les caractérisations biochimiques et biologiques des matrices produites confirment la conservation des caractéristiques de l'os animal traité avec le nouveau procédé. Les résultats in vivo ont établi que les matrices osseuses porcines traitées avec le procédé optimisé permettent une réparation significativement plus efficace des défauts osseux de tailles critiques chez le rat, avant deux mois. Après implantation, aucune réaction inflammatoire significative n'a été observée et cela quel que soit le type de traitement.Ces travaux ont ainsi montré l'intérêt de la technologie des fluides supercritiques pour la purification d'une matrice osseuse d'origine animale. Des validations complémentaires sur la biocompatibilité devront cependant être réalisées pour envisager des applications thérapeutiques chez l'homme.

Many traumatic or pathological conditions cause significant bone damages that, in many cases, lead to bone tissue unable to heal spontaneously. It is then necessary to use bone grafts capable for guaranteeing the reconstruction of the damaged tissue. Allogeneic bone tissues are mainly used as an alternative to autografts. However, the availability of this source is limited, mainly due to regulatory constraints. Bone substitutes of animal origin have been developed to face the increasing need of the surgeons. These xenogenic sources are appealing from an economic and regulatory point of view, allowing easier commercialization on a global scale. However, their use is conditioned by the implementation of purification processes guaranteeing their harmlessness and their performance for bone regeneration.In the present study, we first aimed to identify a source of xenogenic bone displaying ideal biological characteristics, as close as possible to the human bone. Second, we explored the potentialities of the supercritical CO2 technology for the cleaning and the optimization of the purification of this new source.A bone matrix of porcine origin was selected and, initially, characterized after application of the Supercrit® process from BIOBank, used for the purification of bone allografts. With the objective of both reducing the aggressiveness of the treatment and preserving the tissue some optimization of the process was proposed. First, adjustments of solvents, concentrations and processing parameters were tested and evaluated by multiple physico-chemical and biochemical characterizations, and biophysical approaches. Animal studies of implantation in a bone site (rat calvaria) were next conducted in order to evaluate, through micro-CT analysis and histology, the capacity of the grafts to regenerate bone tissue and measure the inflammatory reaction.The animal matrix selected, and purified by the reference Supercrit® process, showed similarities with the human bone. After improvement and adjustment of the purification treatment, biochemical and biological characterizations of the matrices produced confirmed the preservation of the characteristics of the animal bone treated with the new process. The in vivo results established that porcine bone matrices treated with the optimized process allowed significantly more efficient repair of critical size bone defects performed in rats at two months upon implantation. At one month, no inflammatory reaction was observed, regardless of the type of treatment.This work show the interest of supercritical fluid technology for the purification of a bone matrix of animal origin. Additional validations on biocompatibility will however have to be carried out to consider therapeutic applications in humans.