Pour la première fois, des disques intervertébraux bio-conçus ont été implantés avec succès et ont fourni une fonction à long terme dans le plus grand modèle animal jamais utilisé dans cette direction.
Une nouvelle étude de Penn Medicine publiée dans Science Translational Medicine montre que les cellules des patients souffrant de douleurs au cou et au dos peuvent être utilisées pour concevoir un nouveau disque intervertébral dans un laboratoire pour remplacer un disque endommagé. L'étude, réalisée sur des chèvres, a été menée par une équipe interdisciplinaire du Département de médecine, de l'École d'ingénierie et des sciences appliquées et de l'École de médecine vétérinaire de l'Université de Pennsylvanie.
Les tissus mous de la colonne vertébrale, les disques intervertébraux, sont nécessaires dans les mouvements tels que tourner la tête ou attacher les lacets. Mais environ la moitié de la population adulte aux États-Unis souffre de douleurs au dos ou au cou, et le traitement et les soins pour eux font peser un lourd fardeau économique sur la société - environ 195 milliards de dollars par an. Alors que la destruction du disque intervertébral est souvent associée à cette douleur, les principales causes de sa destruction restent moins connues. Les approches modernes, y compris la chirurgie de la colonne vertébrale et les implants de remplacement mécanique, fournissent un traitement symptomatique, mais elles ne restaurent pas la structure, la fonction et l'amplitude des mouvements du disque natif, et leur efficacité est souvent limitée. Ainsi, il y a une demande de nouveaux traitements.
L'ingénierie tissulaire est très prometteuse. Il s'agit de combiner les propres cellules souches d'un patient ou d'un animal avec des échafaudages de biomatériaux dans un laboratoire pour construire une structure complexe qui est ensuite implantée dans la colonne vertébrale en tant que disque de remplacement. Au cours des 15 dernières années, l'équipe de recherche de Penn a développé un disque de bio-ingénierie utilisant l'ingénierie tissulaire, passant de la recherche fondamentale in vitro à de petits modèles animaux et de plus grands modèles animaux, en se concentrant sur les essais humains.
«Il s'agit d'une étape importante: développer un si grand disque en laboratoire, le placer dans l'espace disque, puis le faire intégrer aux tissus natifs environnants. C'est très prometteur », a déclaré Robert L. Mock, professeur d'éducation et de recherche en chirurgie orthopédique à Perelman Medical School à Penn, ainsi que chercheur au Corporal Michael Crescenz VA Medical Center (CMC VAMC) à Philadelphie et principal auteur de la publication. "Les thérapies actuelles ne réparent pas réellement le disque, nous espérons donc qu'avec cet implant développé, nous le remplacerons par une méthode biologique et fonctionnelle et rétablirons la gamme complète des mouvements."
Des recherches antérieures de l'équipe ont montré avec succès l'intégration de leurs disques issus de la bio-ingénierie, connus sous le nom de structures à plis angulaires en forme de disques (DAPS), dans des queues de rat pendant cinq semaines. Cette dernière étude a prolongé cette période chez le rat à 20 semaines - mais avec des disques mis à jour connus sous le nom de DAPS ou eDAPS modifiés par la plaque d'extrémité pour imiter la structure du segment vertébral natif. L'ajout de plaques d'extrémité a permis de préserver la structure technique et de faciliter son intégration dans le tissu natif.
L'IRM, ainsi que l'analyse histologique, mécanique et biochimique, ont montré que l'eDAPS restaurait la structure du disque natif, la biologie et la fonction mécanique dans le modèle de rat. Fort de ce succès, les chercheurs ont ensuite implanté eDAPS dans la colonne cervicale des chèvres. Ils ont choisi une chèvre parce que les dimensions de son disque cervico-spinal sont similaires à celles des humains, et les chèvres ont une figure semi-debout.
Les chercheurs ont montré un remplacement complet du disque réussi chez la chèvre cervicale. Après un mois, la distribution de la matrice a été soit maintenue, soit améliorée dans le cadre de l'eDAPS. Les résultats de l'IRM suggèrent également que la composition du disque a été maintenue ou améliorée après huit semaines et que les propriétés mécaniques correspondaient ou dépassaient celles du disque de chèvre natif.
«Je pense que c'est formidable que nous soyons passés d'une queue de rat à des implants à taille humaine», a déclaré Harvey E. Smith, MD, professeur adjoint de chirurgie orthopédique et de neurochirurgie à la Perelman School of Medicine. et chirurgien à temps plein au CMC VAMC, ainsi que chercheur principal et directeur de recherche clinique. "Quand on regarde le succès dans la littérature sur les dispositifs mécaniques, je crois qu'il y a une très bonne raison d'être optimiste, que nous pouvons atteindre le même succès si nous ne le dépassons pas avec des disques bio-conçus."
L'équipe de recherche associe le succès de ces travaux à l'approche multidisciplinaire et translationnelle qu'ils ont utilisée dès le début à Penn, où vivent de nombreux experts de différents départements et écoles impliqués dans ce projet.
«Nous avons utilisé toutes les directions différentes que Penn a sous son toit, de la recherche fondamentale aux cliniciens. Nous avons un réseau incroyable qui peut être utilisé pour cette recherche et d'autres », a déclaré l'auteur de l'étude Thomas P. Schaer, directeur de VMD, directeur de la recherche orthopédique translationnelle et des études précliniques à la New Bolton University School of Veterinary Medicine, Pennsylvanie. Centre «Toutes les institutions universitaires ne disposent pas d'un tel écosystème commun, ce qui était un énorme avantage pour nous lorsque nous avons commencé cette étude et l'avons ensuite soutenue au fil du temps.»
L'équipe comprend également la première auteure, Sarah Gulbrand, chercheuse au Département de chirurgie orthopédique Penn Medicine et au Translational Musculoskeletal Research Center au Corporal Michael Crescenz VA Medical Center, Lachlan Smith, membre du Département de neurochirurgie et de chirurgie orthopédique à Penn et Dawn M. Elliott, ancienne chercheuse. Penna, actuellement chef du Département de génie biomédical à l'Université du Delaware.
La prochaine étape consistera à effectuer des tests à plus long terme de la fonction eDAPS dans le modèle caprin, ont déclaré les auteurs, ainsi qu'à modéliser la destruction des disques intervertébraux chez l'homme et à tester le fonctionnement de leurs disques bio-conçus dans ce contexte.
"Il est conseillé d'implanter des tissus biologiques constitués de vos propres cellules", a déclaré Smith. «L'utilisation d'un véritable implant de remplacement tissulaire en endoprothèse - nous ne l'avons pas encore fait en orthopédie. Je crois que ce sera un changement de paradigme dans la façon dont nous traitons les maladies de la colonne vertébrale et comment nous reconstruisons les articulations. »