MOYENS POUR L'HEBERGEMENT DE CELLULES ET LEURS APPLICATIONS
L'invention vise de nouveaux moyens pour l'hébergement de cellules et leurs applications notamment pour l'élaboration d'implants ou d'organes bioartific els ou de syst mes de culture cellulaire m vi tro . On sait que l'utilisation de pancréas bioartificiels a te proposée pour le traitement du diabète. Actuellement, ce traitement implique l'injection sous-cutanεe d'insuline, habituellement plusieurs fois par jou afin de réguler la glycémie. Ce système ne permet pas de maintenir une glycémie constante au cours de la journée et peut provoquer des épisodes d'hypoglycémie sévère chez le patient diabétique. Pour pouvoir mieux suppléer les fonctions du pancréas déficient, on a proposé d'implanter chez le patient des îlots de Langerhans î munoprotégés par une em rtne semi-perméable (Mi os 1994, Reach 1999, Colton 1995). L'objectif est de permettre aux îlots de recevoir le signal, a savoir la concentration en glucose dans le sang, et ' repondre par une synthèse et une sécrétion d'insuline permettant d'assurer la régulation de la glycémie. Ces îlots doivent fonctionner comme au sein d'un pancréas sain. Cependant, dans le cas d'une implantation d'un pancréas bioartificiel dans la cavité per toneale ou en sous-cutané, les échanges entre les îlots immobilisés et le sang sont purement diffusifs. De plus, l'approvisionnement en oxygène, nécessaire à la survie et au bou fonctionnement des cellules, se fait aussi de façon diffus ve.
Les géométnes de pancréas bioartificiels à ce jour se heurtent toutes à un problème de changement d'échelle, qui se traduit par la nécrose des îlots de Langerhans. Cette nécrose résulte d'une part de distances trop élevées pour la diffusion de l'oxygène, et d'autre part d'une densité d'îlots trop grande visant à réduire le volume global de l'organe bioartificiel . L'utilisation de microcap?aies, i algmate notamment, a également été envisagée car le rapport volume/surface
d'échanges est optimisé. Néanmoins, lors de l'implantation dans la cavité péπtonéale se pose le problème de l'ancrage de ces éléments, et celui de leur récupération en cas de problème. La macroencapsulation dans des fibres creuses semi-perméables permet de surmonter cet écueil, et offre de plus une résistance mécanique accrue. Dans ce cas, cependant, le changement d'échelle pour une transposition a i ' nomme a échoue jusqu'à présent. Il semble difficile de proposer une géométrie suffisamment compacte pour héberger le nombre d'îlots requis pour une suppléance efficace. Les transferts αe masse par diffusion apparaissent limités, notamment en ce qui concerne l'oxygène, et imposent une néovasculaπsation a la surface externe de la barrière immunitaire.
D'autres équipes ont proposé d'utiliser une géométrie plane, facilement extractible du lieu d'implantation, pour minimiser les trajets diffusifs. On citera notamment les travaux des compagnies Islet Sheet Médical (Antanavich 2000) et Baxter avec le proαuit Theracyte≤ (Rafaël 1997) .
Le système TheracyteΘ consiste en une chambre de diffusion très fine équipée de 2 membranes superposées : une membrane externe avec des pores favorisant la formation de neovaisseaux et une membran in e e avec des pores permettant 1 ' immunoprotection des îlots. Les distances de diffusion sont donc très courtes en raison du volume interne très faible, il est cependant très difficile de placer dans cette chambre des îlots de Langerhans dont le diamètre moyen est de 200 μm. Le volume d'un îlot étant d'environ 4.10"' μl, on peut placer environ 10 000 îlots dans cette chambre, sous une densité maximale. Avec une densité optimisée, de l'ordre de 30%, on peut placer environ 3000 îlots nécessaires à la suppléance du pancréas d'un rat diabétique.
Islet Sheet Médical propose d'héberger les îlots dans un sandwich de 3 couches d'algmate. L'épaisseur totale du film est de 400 μm environ, ce qui assure ici aussi une très faible distance de diffusion. La densité des îlots dans le gel est au
mieux de 35%. On retrouve αonc le même type de dimension que celles évoquées ci-dessus.
Les travaux des inventeurs ont montré qu'en utilisant de nouvelles gêo étries de structure d'hébergement d'îlots de Langerhans, on pouvait surmonter les limites évoquées ci-dessus en rapport avec des implants de pancréas artificiels. De plus, ces gêométries se sont révélées applicables a d'autres types d'implants ou d'orga.ies oioartificiels .
L'invention a donc pour but l'utilisation de telles structures pour héberger des cellules, en particulier des types cellulaires déficients dans des pathologies données.
Elle vise également la mise à profit des propriétés de ces structures pour réaliser des implants ou des systèmes bioartificiels ou des systèmes de cultures cellulaires in vitro.
Les structures utilisées selon l'invention pour héberger des cellules sont caractérisées en ce qu'il s'agit de membranes sensiblement planes, en un maténau biocompatible, possédant une pluralité de canaux longitudinaux sépares, hébergeant des cellules.
Ces membranes seront désignées c -apres par l'expression "membranes polycreuses" .
Des membranes appropri es correspondent en particulier à celles faisant l'objet du brevet FR 2 541 709 au nom de la Lyonnaise des Eaux.
La répartition et le maintien des cellules au sein de chaque canal sont obtenus par la présence d'un gel biocompatible .
Comme gels appropriés, on citera les algmates, les collagènes, ou encore l'agarose.
Après remplissage par le gel, on obture les canaux. On utilisera avec avantage une colle reticulable aux UN telle que celle décrite dans la demande FR 00 14 969 du 20 novembre 2000 au nom d'Aquasource. Dans sa définition la plus générale, cette colle est à base d'un aαhésif synthétique reticulable /polymérisable sous rayonnement ultraviolet. Une quantité
précisément dosée d'adhésif est introduite dans les extrémités des canaux aux fins de durcissement.
Les différentes caractéristiques géométriques de la membrane sont ajustées en fonction du cahier des charges pour, d'une part, assurer le bon fonctionnement des cellules hébergées et, d'autre part, permettre une récupération aisée du dispositif implanté.
La géométrie polycreuse (longueur, largeur et épaisseur de la membrane) peut être do.ptée en fonction des besoins et de l'application visée chez l'homme ou chez l'animal. La forme des canaux, de section circulaire a l'origine, peut être modifiée pour assurer l'hébergement d'un nombre suffisant d'îlots ou de cellules avec une densité optimale. La densité du gel lui-même dépend de la solution finale recherchée. Les couches filtrantes de la membrane (interne et/ou externe) sont ajustables pour assurer les besoins en terme de transfert de matière de glucose, d' insuline et d'oxygène, ma s aussi pour assurer 1 ' immuno-protection des îlots. Différents matériaux polymères peuvent être envisages, en fonction des propriétés mécaniques et de la bioco patibilité recherchée.
Selon la for"1? de canal e^ 'haite, oo. adaptera la géométrie de la filière utilisée pour produire ιa membrane. S le canal est de section circulaire, son diamètre est choisi pour permettre l'hébergement d'un type cellulaire donné. Par exemple, dans le cas des îlots de Langerhans, ce diamètre peut varier de 200 μm à 1 mm environ. Le canal peut aussi avoir une section de forme oblongue, afin de placer plusieurs îlots en parallèle sur une même couche, tout en minimisant les trajets diffusifs pour les substances d'intérêt, par exemple, glucose, insuline, oxygène dans le cas desdits îlots.
Ces structures s'avèrent particulièrement adaptées pour l'hébergement de cellules primaires allogé iques ou xénogémques, ou issues de lignées, à protéger du milieu environnant. On citera en particulier les îlots de Langerhans, mais également les hépatocytes, les cellules rénales, de la thyroïde, de la parathyroide ou des glandes surrénales.
L'implantation de ces structures chez l'homme ou chez l'animal permet la survie à lcng terme des cellules qu'elles contiennent .
L'invention vise donc l'utilisation desdites membranes pour l'élaboration d'implants ou d'organes bioartificiels .
En ce qui concerne par exemple le cas des îlots de Langerhans, on observe une régulation adéquate de la glycémie et on ne se neurte pas aux problèmes rencontrés par les autres systèmes de l'art antérieur. L'invention vise également l'utilisation de ces membranes polycreuses dans des applications extracorporelles. De telles applications revêtent un grand intérêt notamment pour réaliser un foie bioartificiel, avec perfusion de sang ou de plasma dans la membrane renfermant les hépatocytes en culture, et ré- administration du sang ou du plasma traité au patient.
L'invention vise aussi l'utilisation desdites membranes polycreuses pour l'élaboration de systèmes de cultures cellulaires .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont donnés dans la description qui suit en se référant aux figures 1 a 3 qui représentent respectivement :
- la figure 1 une meiαbr jne polycreuse plane a canaux de section circulaire, renfermant une rangée αe cellules, la figure 2, une autre membrane polycreuse telle qu'utilisée selon l'invention, comportant des canaux de section oblongue, et 2 rangées de cellules dans chaque canal, et
- la figure 3, une membrane polycreuse avec une surface externe ondulée.
Utilisation d'une membrane polycreuse Cette membrane est avantageusement fabriquée selon le procédé décrit dans le brevet FR 2 641 709 précité.
Les caractéristiques de la membrane sont modulées en fonction des besoins, notamment en termes de :
Matériau : tout type de polymère biocompatible : polysulfone, polyethersulfone, PEVA, PVA, cellulose modifiée,
Homogénéité : la structure peut être homogène ou disposer d'un support très poreux et d'une fine couche filtrante qui définira le seuil de coupure. La couche filtrante peut être interne ou externe. En particulier, il peut s'agir d'une couche externe très poreuse, avec des diamètres de pore supérieurs à 0,8 μm, afin de favoriser la néovascularisation autour de l'implant.
Épaisseur : l'épaisseur de la membrane doit être suffisamment faie le pour favoriser les transferts diffusifs, tout en assurant une bonne tenue mécanique. Cette épaisseur, ajoutée au diamètre du canal définira l'épaisseur totale de l'implant ou de l'organe bioartificiel.
- Seuil de coupure : les substances nutritives ainsi que les espèces sécrétées par les cellules immobilisées à l'intérieur des canaux doivent traverser librement la membrane. Les immunoglobulines coivent en revanche être retenues : en conséquence, le seuil de coupure peut varier entre 20 kDa et 150 kDa.
- Forme externe : la face externe de la membrane peut être lisse ou présenter des caractéris iques permettant d'accroître sa rugosité. Par exemple, la. face exter e peut être ondulée pour favoriser la formation de néovai: sc^_ qui réduiront les trajets diffusifs entre le sang et les cellules immobilisées (Fig. 3) . Ces structures présentent des avantages par rapport aux dispositifs évoques précédemment :
1. Géométrie originale par elle-même : bien que la géométrie soit plane, elle est totalement différente des dispositifs antérieurs évoqués plus haut. 2. Ajustement de la densité d'îlots facilité par le remplissage suivant une seule dimension (axe du canal) . Ce paramètre étant primordial pour la survie des îlots à long terme, le remplissage canal par canal permet d'assurer une très bonne homogénéité sur l'ensemble du dispositif plan. 3. Excellente tenue mécanique de l'ensemble assurée par la structure même de la membrane, d'où l'absence de risque de
diminution du volume interne, ou de délaminage des différentes couches de gel, tels qu'observés avec des structures de l'art antérieur.
4. Surface externe favorisant la formation de nêo- 5 vaisseaux. En fonction des données de la littérature, la taille des pores externes de la membrane peut être adaptée pour optimiser la néovascularisation. Il est également possible d'accroître la rugosité du matériau, et même, à l'aide d'une filière adaptée, de créer une surface externe ondulée.
Lu 5. Possibilité d'utiliser certains canaux pour un apport nutπtionnel ou en oxygène.
Des exemples de structures de membranes polycreuses sont illustrées par les figures 1 à 3. La figure 1 correspond à une membrane polycreuse plane 1 comportant des canaux 2 de section
15 circulaire, contenant chacun une rangée de cellules 3 dans un gel 4. La figure 2 montre une membrane avec des canaux de section oblongue 5 contenant deux rangées de cellules 6 et 7 dans chaque canal, ce qui permet de disposer de la densité cellulaire souhaitée, adaptée à certains types de culture. La 0 figure 3 illustre une structure avec une surface externe 8 ondulée, ce qui permet iε favoriser la néovascularisation.
Application a l'hébergement d'îlots de Langerhans Suppléance d'un pancréas chez le rat.
Pour environ 3000 îlots de diamètre 200 μm, sous une 5 densité de l'ordre de 30°3, on utilise un volume interne global de 42 μl . Par exemple, avec un diamètre interne de canal de 300 μm, on a utilisé une longueur totale de canaux de 60 cm, soit par exemple 20 canaux de 3 cm de long. Avec une distance intercanal de 300 μm, les dimensions globales de la structure sont 0 alors : Longueur = 3 cm, largeur = 1,2 cm l'épaisseur de l'implant étant par exemple de 500 μm, ce qui correspond à un volume total de 180 mm3.
Certains canaux peuvent également être dépourvus de cellules et être utilisés pour αes apports nutritifs ou un 5 apport d'oxygène.
La densité des cellules peut être modulée en fonction du volume de gel biocompatible introduit dans les canaux. Ce paramètre est primordial pour assurer une bonne oxygénation des cellules .
Pancréas bioartificiel
La structure obtenue comme indiquée ci-dessus est implantée dans la cavité péπtonéale ou en sous cutané. Du fait de ses dimensions, elle est facilement extractible.
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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