Quand la médecine régénératrice imite la nature

Le bio­mi­mé­tisme est de plus en plus popu­laire dans la recherche bio­mé­di­cale. Il irrigue aus­si bien les tra­vaux de bio­lo­gie fon­da­men­tale que le déve­lop­pe­ment de tech­no­lo­gies médicales. 

C’est un nou­veau tour­nant pour la méde­cine répa­ra­trice. Elle est en passe de deve­nir régé­né­ra­tive, c’est-à-dire vrai­ment capable de res­tau­rer les tis­sus bio­lo­giques et leurs fonc­tions. Il s’agit de repro­duire le vivant et ses pro­ces­sus, de déve­lop­per une approche bio­mi­mé­tique de la méde­cine. Cette démarche s’allie à une autre approche à l’interface des sciences des maté­riaux et des sciences bio­lo­giques, la bioin­gé­nie­rie. Cathe­rine Picart, qui dirige l’équipe Bio­mi­mé­tisme et Méde­cine Régé­né­ra­trice au sein de l’Unité Bio­san­té au CEA de Gre­noble, s’appuie sur ces outils pour créer des bio­ma­té­riaux afin de répa­rer des tis­sus osseux, en col­la­bo­ra­tion avec des chi­rur­giens maxil­lo-faciaux de l’hôpital d’Annecy. Il s’agit de pro­po­ser à l’os lésé un envi­ron­ne­ment pour le faire se recons­truire. Pour cela, l’équipe conçoit des bio­ma­té­riaux qui contiennent des fac­teurs de crois­sance osseuse. Ils sont impri­més en 3D et on y dépose un film bio­mi­mé­tique dit « ostéoin­duc­teur », favo­ri­sant la régé­né­ra­tion de l’os.

Ces bio­ma­té­riaux sont des poly­mères qui res­semblent à la matrice extracel­lu­laire : le gel bio­lo­gique pré­sent entre les cel­lules des ani­maux. Ce poly­mère réti­cu­lé est com­po­sé d’acide hya­lu­ro­nique, un poly­mère pré­sent dans la peau et capable de for­mer des films très minces sur les­quels on peut dépo­ser le fac­teur de crois­sance, cette pro­téine qui com­mande la crois­sance osseuse. Le film est dépo­sé à la sur­face d’un bio­ma­té­riaux poreux, fabri­qué par impres­sion 3D. Les cel­lules y adhèrent et comblent les espaces en pro­dui­sant de l’os. Cela a été démon­tré en 2016 sur des modèles de ron­geurs¹.

Cette approche a éga­le­ment fait ses preuves sur de gros ani­maux (cochon, mou­ton) pré­sen­tant des défauts osseux de la mâchoire² et de la patte³. Chez l’humain, ce type de mal­for­ma­tion néces­site actuel­le­ment plu­sieurs opé­ra­tions de greffes osseuses. Avec le concept de régé­né­ra­tion osseuse, il suf­fi­rait de gref­fer un os syn­thé­tique et de le lais­ser se reconstruire.

Cette tech­nique a l’avantage de pro­duire une res­tau­ra­tion sur mesure. Le moule 3D contrôle la forme et la poro­si­té de l’os res­tau­ré, tan­dis que le film de sur­face en défi­nit la quan­ti­té et la vitesse de repousse.

Pour com­plé­ter cette approche bio­mi­mé­tique, un autre axe de l’équipe consiste à com­prendre com­ment ces matrices arti­fi­cielles, asso­ciées à des fac­teurs de crois­sance, agissent sur les cel­lules. Il s’agit en par­ti­cu­lier de repro­duire in vitro le contrôle qu’elles exercent sur la com­mu­ni­ca­tion cel­lu­laire et la for­ma­tion des tis­sus⁴.  

La dif­fi­cul­té de ces tra­vaux est la rigi­di­té des sur­faces affec­tant la réponse des cel­lules. Les cher­cheurs gre­no­blois ont donc déve­lop­pé une approche avec des films bio­mi­mé­tiques souples, dont l’épaisseur est infé­rieure à deux micro­mètres. Ils sont dépo­sés sur des plaques for­mées de 96 puits uti­li­sées cou­ram­ment dans la recherche bio­mé­di­cale. Chaque puits peut ain­si consti­tuer une condi­tion expé­ri­men­tale et il est pos­sible de mener 96 expé­riences de front, cha­cune pré­sen­tant des com­po­si­tions de matrice ou de fac­teurs de crois­sance différents.

Cette approche apporte des élé­ments de com­pré­hen­sion des méca­nismes molé­cu­laires de for­ma­tion du tis­su osseux, pou­vant être utiles pour l’approche cli­nique de répa­ra­tion osseuse.

Le bio­mi­mé­tisme per­met éga­le­ment de créer de nou­veaux outils pour la méde­cine, et en par­ti­cu­lier pour la chi­rur­gie. Il existe tout un pan de tech­no­lo­gies médi­cales qui cherche à repro­duire les pro­prié­tés de cer­taines espèces ani­males ou végé­tales. C’est le cas d’aiguilles chi­rur­gi­cales⁵ ins­pi­rées de guêpes para­si­tiques, déve­lop­pées par les uni­ver­si­tés de Delft et de Wage­nin­gen. Ultra­fines, ces aiguilles sont consti­tuées de sept tiges indé­pen­dantes qui assurent l’élasticité et la soli­di­té du système.

Tou­jours en chi­rur­gie, des cher­cheurs de l’université amé­ri­caine de l’Illinois ont créé une ven­touse ins­pi­rée de la pieuvre⁶ des­ti­née à trans­fé­rer des tis­sus déli­cats lors des greffes. Ce sys­tème met à pro­fit les pro­prié­tés élec­tro­ther­miques d’un poly­mère afin de repro­duire la suc­cion déli­cate des tentacules.

Les glues chi­rur­gi­cales consti­tuent un autre champ d’outils bio­mi­mé­tiques très pro­met­teur. En la matière, c’est l’entreprise fran­çaise Tis­sium⁷ qui semble l’une des plus avan­cées. La socié­té pari­sienne a repro­duit les pro­prié­tés d’un ver marin, Phrag­ma­to­po­ma cali­for­ni­ca, qui construit des châ­teaux de sable afin d’y loger ses colo­nies. Un ciment résis­tant à l’eau assure la soli­di­té des édi­fices. C’est cette pro­prié­té qui inté­resse la chirurgie.

Depuis la recherche fon­da­men­tale jusqu’aux tech­no­lo­gies médi­cales, le concept de bio­mi­mé­tisme irrigue l’innovation médi­cale. Une étude⁸ du cabi­net d’analyse stra­té­gique indo-bri­tan­nique Pre­ce­dence Research estime ain­si le mar­ché de l’innovation médi­cale bio­mi­mé­tique à plus de 33 mil­liards de dol­lars en 2022 et pour­rait atteindre les 65 mil­liards de dol­lars en 2032. Sans doute, ces esti­ma­tions s’appuient sur une défi­ni­tion large de l’innovation bio­mi­mé­tique, mais elles des­sinent le nombre de recherches qui attein­dront le mar­ché dans les pro­chaines années.

Agnès Vernet