Résumé non technique d'un projet d'expérimentation animale publié sur ALURES le 21/03/2023
("EC NTS/RA identifier" : NTS-FR-022428)
108 rats vont être utilisés, tous tués à l’issue, dans des procédures impliquant un niveau de souffrance modéré. On leur ouvre le crâne pour y déposer un implant en céramique, puis on répète l’imagerie au micro-scanner et on injecte un agent pour visualiser les vaisseaux, avant la mise à mort pour analyse. Le porteur décrit des douleurs post-chirurgicales et un protocole d’analgésie sur trois jours, pour comparer des géométries d’implants destinés à combler des pertes osseuses. Il écarte les modèles in vitro et in silico, jugés incapables de reproduire la complexité de la réparation osseuse et sa vascularisation.
Objectifs et bénéfices escomptés du projet
Décrire les objectifs du projet.
La réparation du squelette après perte de substance osseuse demeure toujours un problème lorsque les défauts sont de grande taille. Si le traitement par autogreffe (prélèvement osseux du patient sur un autre site) reste la référence, il a cependant des inconvénients (quantité disponible, morbidité..). Les céramiques à base de phosphates de calcium (CaP) sont une bonne alternative à l’autogreffe osseuse car elles possèdent une composition chimique similaire à la phase minérale de l’os, les rendant biocompatibles et ostéoconductrices (favorisant la repousse osseuse à la surface du matériau) . Cependant, la faible vascularisation et pénétration des tissus néoformés dans les céramiques poreuses en CaP n’en font une solution satisfaisante que pour des défauts de petite taille. L’augmentation de leur efficacité clinique implique une amélioration de leurs propriétés angio- et ostéo conductrices (favoriser l’invasion vasculaire et la formation osseuse). Ces propriétés peuvent être obtenues en modulant les caractéristiques chimiques et architecturales de la céramique. L’architecture des céramiques (comprenant la forme, la porosité, la taille des pores, leur interconnectivité et la surface interne) conditionne le transport de nutriments, la migration cellulaire et tissulaire et la distribution des contraintes de cisaillement. Les techniques récentes de fabrication additive associées à celles de conceptions assistées par ordinateur permettent dorénavant de produire des implants avec des formes externes personnalisées (épousant parfaitement le défaut osseux) ainsi qu’une macro-architecture interne optimisée et reproductible. Ce présent projet fait suite à un précédent projet récemment terminé qui a consisté à évaluer le potentiel de réparation de défauts osseux au niveau du crâne de rat avec des implants à base de céramiques de phosphates de calcium et 2 géométries différentes. Nos résultats, obtenus sur des défauts de taille non critique (5 mm de diamètre) ont montré que les paramètres porosité / taille des pores étaient critiques par rapport à la surface interne. Ce projet a pour objectif de valider ces premiers résultats sur un défaut de taille critique (8 mm de diamètre) et de mieux discriminer l’impact des paramètres (i) porosité, (ii) taille de pores et (iii) surface interne sur la cinétique de l’invasion osseuse. Par ailleurs, nous évaluerons la relation entre formation osseuse, vascularisation et impact de la géométrie des implants.
Quels sont les bénéfices susceptibles de découler de ce projet?
De nombreux travaux issus de la littérature ont tenté de déterminer l’impact de certains paramètres géométriques d’implants substitut osseux sur l’invasion osseuse, mais la plupart des études ne tiennent compte que d’un seul paramètre (généralement la taille des pores) ; cette étude permettra de discriminer l’impact de la porosité globale, de la taille des pores et de la surface interne sur l’invasion osseuse et l’invasion vasculaire. Le bénéfice attendu à plus long terme est l’optimisation de la fabrication des implants en biocéramique pour le comblement de grands défauts osseux en remplacement de l’autogreffe.
Nuisances prévues
À quelles procédures les animaux seront-ils soumis en règle générale?
1-Craniotomies latérales et dépôt d’un implant ( 1X ; durée ~40 min) 2- Imagerie micro-scanner (μCT) in vivo (Max 7X; durée 15 min) 3- Injection de fluorochromes (2X, durée 5 min) 4- Infiltration du réseau vasculaire par un agent radio-opaque (1X; durée 30 min)
Quels sont les effets/effets indésirables prévus sur les animaux et la durée de ces effets?
Nuisances attendues causées durant les actes expérimentaux : stress dû à la contention puis lors de la perte de connaissance par le gaz anesthésiant; Injection en sous cutané ; Injection en intrapéritonéal (sous anesthésié gazeuse) ; Chirurgie au niveau du crâne (sous analgésie et anesthésie) ; thoratocomie. Nuisances attendues engendrés suite aux expérimentations : douleurs post-chirurgie
Justifier le sort prévu des animaux à l’issue de la procédure.
Tous les animaux seront mis à mort en fin de projet permettant des analyses post-mortem (analyse au scanner à haute résolution de la formation osseuse et du réseau vasculaire pénétré dans le matériau macroporeux + histologie des cranes réparés)
Application de la règle des "3R"
1. Remplacement
Aucun modèle de néoformation osseuse in vitro n’est disponible aujourd’hui. La cicatrisation osseuse est un processus séquentiel orchestré complexe impliquant l’interaction de nombreuses populations cellulaires différentes : cellules osseuses, cellules vasculaires, cellules du système immunitaire et cellules des tissus environnant tels que le périoste ou le tissu musculaire ; à cela s’ajoute l’impact d’un système hormonal complexe. Les modèles in silico actuels ne peuvent pas reproduire cette complexité cellulaire et moléculaire, d’autant plus que tous les processus intervenants dans la réparation osseuse ne sont pas encore connus. Les modèles in vitro (organoide, co-culture) permettent de reproduire certaines des interactions matrice-cellules ou cellules-cellules, mais n’incluent que 2 ou 3 interactions (cellules osseuses / cellules immunitaires par exemple). Les modèles ex vivo (explants osseux) sont les plus proches de la situation physiologique et permettent d’étudier la physiologie osseuse sur quelques jours. Ces modèles, cependant, sont dénués de système vasculaire qui joue un rôle clé dans la réparation osseuse. Pour toutes ses raisons les alternatives non animales actuellement disponibles ne sont pas appropriées pour étudier la réparation osseuse et il est nécessaire d’avoir recours à un modèle in vivo.
2. Réduction
Le suivi de la formation osseuse seront réalisées sur les mêmes animaux par imagerie in vivo. Le suivi de la vascularisation aux temps précoces ne se fera qu’à 2 et 4 semaines et que sur 2 groupes (1 seule géométrie et défaut vide). Ces études nécessiteront 10 animaux par groupe compte tenu des variations de résultats pouvant être observées dans les études in vivo, de cassures de l’implant, et de l’étape de perfusion vasculaire qui, parfois faillit en ne remplissant pas parfaitement le réseau vasculaire, notamment les capillaires. Pour les analyses statistiques, nous effectuerons les tests adéquats après test de normalité.
3. Raffinement
Les rats initialement hébergés ensemble (3 rats/cage) le resteront du début à la fin du protocole et bénéficieront d’une période d’acclimatation de 7 jours avant le début de la procédure expérimentale. Un analgésique leur sera administré avant chaque intervention chirurgicale laquelle sera faite sous anesthésie générale. Des injections bi quotidiennes d’analgésique en sous cutanée seront aussi pratiquées pendant les 3 jours post opératoires. Pour chaque analyse en imagerie, les rats seront anesthésiés par voie gazeuse. L’acte terminal nécessitera des doses élevées d’analgésie et d’anesthésie afin que l’animal soit en condition péri-mortem.
Expliquer le choix des espèces et les stades de développement y afférents.
Le modèle choisi est le rat male WISTAR (non-syngénique). Le rat est un bon compromis entre la souris (trop petite pour obtenir un défaut de taille suffisante pour l’évaluation d’implants massifs) et le lapin (couteux et trop gros pour permettre un suivi en imagerie micro-scanner in vivo). De plus, le modèle de défaut au niveau de la calvaria est bien décrit dans la littérature et autorise la réalisation de défauts reproductibles et contrôlés. Jeunes adultes (3 mois) car de taille suffisamment importante pour permettre l’implantation en site osseux et leur phase de croissance est terminée.