Développement de scaffolds 3D et de ciments injectables pour le traitement de lésions osseuses induites par les cancers métastatiques

Development of 3D printed and injectable scaffolds for the treatment of bone lesions induced by cancer metastases

• Auteur / Autrice : Habib Belaid
• Direction : David-Jacques Cornu, Vincent Cavailles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 28/10/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Subra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David-Jacques Cornu, Vincent Cavailles, Gilles Subra, Christèle Combes, Joëlle Amédée Vilamitjana, Olivier Peyruchaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christèle Combes, Joëlle Amédée Vilamitjana

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structures d'échafaudage tissulaires

Cancer du sein

Métastases

Mots clés libres

Métastase de cancer du sein

Délivrance de médicaments

Scaffolds injectables

Impression 3D

Metastatic breast cancer

Injectable scaffolds

Bone engineering

3D printing

Résumé

Malgré son aspect inerte, l'os est vivant et se renouvelle continuellement. Ce remodelage osseux est essentiel pour maintenir ses fonctions mécaniques et métaboliques. Avec l'augmentation globale de l'âge de la population, les fractures osseuses ont augmenté ces dernières années. Elles sont habituellement causées par un traumatisme, mais certaines fractures peuvent être le résultat de maladies. Dans de nombreux cas, lors de fractures osseuses, l'os ne peut pas se réparer seul et l'utilisation de greffes osseuses est nécessaire. L'utilisation de biomatériaux synthétiques a suscité un grand intérêt pour la réparation osseuse. L'objectif de cette thèse était de développer un nouveau type de scaffold capable de traiter les fractures liées aux métastases osseuses du cancer du sein. Ces scaffolds pourraient favoriser la formation osseuse mais aussi bloquer la prolifération des cellules cancéreuses. Tout d'abord, des nanomatériaux 2D tels que l'oxyde de graphène (GO) et le nitrure de bore (BN) ont été utilisés pour renforcer l’acide polylactique (PLA) afin d'améliorer ses propriétés mécaniques et sa bioactivité. Des scaffolds composites PLA/GO et PLA/BN ont été fabriqués à l'aide de la technique de dépôts par filament (FDM). Avec l'ajout de 0,2 % de GO, le module de Young du scaffold de PLA a augmenté, tandis qu'avec l'ajout de 0,1 % de BN, la prolifération et la minéralisation des cellules d'ostéosarcome MG63 étaient plus élevées. Ensuite, pour améliorer la bioefficacité des scaffolds, deux médicaments ont été utilisés. L'alendronate (AL) et le raloxifène (RH) ont été encapsulés dans des microsphères d’acide polylactique-co-glycolique (PLGA) de 1 µm par émulsion. Les microsphères chargées en AL ont montré une efficacité d'encapsulation et de libération beaucoup plus élevée que les microsphères de PLGA/RH. Les deux microsphères de PLGA chargées en médicaments étaient biocompatibles et aussi bioactives sur les cellules cancéreuses du sein (MCF7). Pour utiliser efficacement ces médicaments dans des substituts osseux, ces microsphères de PLGA chargées en AL et RH ont été incorporées dans du poly(fumarate de propylène) (PPF). Le scaffold à base de PPF a été créé par stéréolithographie (SLA) et des propriétés mécaniques similaires à celles des os trabéculaires ont été observées. Enfin, dans le cas de la chirurgie mini invasive comme la vertébroplastie, nous avons développé un ciment injectable macroporeux à base de phosphate de calcium (CPC). Des microsphères de PLGA de 100 µm ont été ajoutées au ciment (CPC/PLGA). Le ciment contenait 20% de ZrO2 comme radio-opacifiant pour prévenir les fuites de ciment. Le CPC s'est avéré avoir une bonne manipulation (injectabilité, temps de prise initiale et finale, propriétés cohésives) mais aussi une bonne radioopacité. Le scaffold CPC/PLGA a montré une bonne macroporosité mais une moins bonne maniabilité, bien qu’il soit correctement manipulable et une diminution de la résistance à la compression a été observée. L'étude in vivo sur des vertèbres caudales de rats a montré une bonne rétention du CPC à un mois. De plus, le CPC/PLGA30 a été partiellement résorbé et remplacé par la formation de nouvel os. En conclusion, ces deux types de scaffolds (imprimés en 3D ou ciment injectable) sont très prometteurs en vue de traiter les fractures provenant de métastases osseuses de cancer du sein.

Despite its inert appearance, bone is alive and constantly renewing itself. This bone remodeling is essential to maintain its mechanical and metabolic functions. In many cases, bone fractures caused by trauma or resulting from diseases cannot self-repair and require the use of bone grafts. The use of synthetic bioactive or bioresorbable biomaterials has a great interest for bone tissue engineering. The aim of this thesis was to develop new scaffolds able to treat bone fractures arising from breast cancer metastasis, i.e. scaffolds which could support bone formation but also eradicate cancer cell proliferation.Firstly, 2D nanomaterials including graphene oxide (GO) and boron nitride (BN) were used to reinforce poly(lactic acid) (PLA) in order to improve its mechanical properties and bioactivity. Composite PLA/GO and PLA/BN scaffold were fabricated by fused deposition modeling. With the addition of 0.2%wt of GO, the Young’s modulus was increased while with the addition of 0.1%wt of BN, the proliferation and mineralization of MG63 osteosarcoma cells were higher. Then, to improve the bioefficacy of the scaffolds, two drugs were used. Alendronate (AL) and raloxifene (RH) were encapsulated in Poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) microspheres of 1 µm by emulsion method. The AL-loaded microspheres showed much higher encapsulation efficiency and release than the PLGA/RH microspheres. Both PLGA microspheres were biocompatible and bioactive on MCF7 breast cancer cells. To use those drugs efficiently in bone substitute, AL and RH-loaded PLGA-microsphere were embedded in poly (propylene fumarate) (PPF). PPF scaffold was created by stereolithography (SLA) and showed mechanical properties similar to those of trabecular bones. Finally, in the case of non-invasive surgery such as vertebroplasty, we developed an injectable macroporous calcium phosphate cement (CPC) brushite cement phase which contained 20% ZrO2 as radio-opacifier to monitor cement leakage. This CPC exhibited good handling properties (injectability, initial and final setting time, cohesive properties) and a good radio-opacity. Upon addition of PLGA microspheres of 100 µm, the CPC/PLGA scaffold showed a good macroporosity but exhibited a decreased compression strength and lower handling properties, though still workable. The in vivo study in caudal vertebrae of rat showed good retention of the CPC up to a month. Moreover, CPC/PLGA30 was partially resorbed and replaced by the formation of new bone.In conclusion, these two types of scaffolds (3D printed or injectable cement) are very promising to treat pathologic fractures of bone metastasis of breast cancer.