Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

Pour de nombreux enfants confrontés à des cancers potentiellement mortels, les traitements mêmes qui sauvent leur vie peuvent voler leur fertilité future. La chimiothérapie et la radiothérapie endommagent souvent les ovaires, les organes qui produisent les ovocytes et les hormones essentielles. Chez les adultes, les médecins peuvent parfois congeler et stocker du tissu ovarien pour une utilisation ultérieure, mais cette approche est dangereuse pour les enfants. Leurs ovaires contiennent des ovocytes immatures qui ne peuvent pas être congelés individuellement, et la réimplantation de leur propre tissu comporte un risque de réintroduction de cellules cancéreuses si la maladie s'y était propagée. Pour résoudre ce problème, les scientifiques travaillent sur un type de solution différent : un ovaire bioprothétique. Il s'agit d'un organe artificiel construit à partir d'un échafaudage, une structure minuscule et poreuse conçue pour contenir des sacs ovaires isolés, appelés follicules, et les aider à croître et à mûrir à l'extérieur du corps jusqu'à ce qu'ils soient prêts à être utilisés. L'objectif est de remplacer le tissu endommagé par ce système de support technique, permettant au corps de produire des hormones et, éventuellement, de libérer des ovocytes sains.

Le défi consiste à trouver le bon matériau pour construire cet échafaudage. Le follicule est une structure tridimensionnelle délicate qui doit être maintenue en toute sécurité tout en étant capable de s'étendre à mesure qu'il croît. Il doit interagir avec les cellules de soutien environnantes et recevoir des nutriments, tout comme une plante a besoin du bon sol pour prendre racine et fleurir. Les chercheurs ont précédemment utilisé un matériau appelé gélatine, dérivé du collagène, car il imite l'environnement naturel du corps et aide les cellules à s'y fixer. Plus récemment, ils ont également étudié un matériau synthétique ultra-poreux appelé poly(acide lactique-co-glycolique) ultra-mousseux, ou UF-PLG. Ce matériau est incroyablement léger et peut absorber de nombreuses fois son propre poids en liquide, offrant un type de structure différent. La question était de savoir si l'un de ces matériaux était clairement supérieur, ou s'ils offraient des forces différentes qui pourraient nécessiter d'être combinées.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de comparer directement ces matériaux. Ils ont utilisé une imprimante 3D pour créer de minuscules échafaudages à partir de trois substances différentes : de la gélatine pure, de l'UF-PLG pur et une version hybride où l'UF-PLG est recouvert de gélatine. Ils ont imprimé ces échafaudages avec un motif géométrique spécifique, composé de cinq couches de brins disposés selon un angle de soixante degrés les uns par rapport aux autres, créant des angles qui pouvaient physiquement bercer les follicules sphériques. Ils ont ensuite prélevé des follicules secondaires, qui sont de petits sacs ovaires de la taille d'un grain de sable, sur les ovaires de jeunes souris. Chaque follicule a été placé sur l'un des trois types d'échafaudages et laissé à croître dans un liquide riche en nutriments pendant deux, quatre ou six jours. Les scientifiques ont ensuite examiné les follicules sous des microscopes puissants pour voir comment ils restaient attachés, s'ils conservaient leur forme et quelle était l'ampleur de la croissance de l'ovocyte à l'intérieur.

Les résultats ont révélé une séparation nette des performances. Les échafaudages faits de gélatine pure étaient excellents pour maintenir les follicules en sécurité et en place. Presque tous les follicules placés sur ces échafaudages sont restés attachés, et ils ont maintenu leur intégrité structurelle, ce qui signifie que les couches protectrices autour de l'ovocyte ne se sont pas rompues. La gélatine a également encouragé les cellules de soutien environnantes à migrer sur l'échafaudage et à s'enrouler autour du follicule, créant ainsi une unité forte et intégrée. En revanche, les follicules sur les échafaudages d'UF-PLG pur s'en sont mal sortis. La plupart d'entre eux se sont complètement détachés de la structure, et ceux qui sont restés ont souvent rompu, perdant leur enveloppe protectrice. Les échafaudages hybrides, qui combinent les deux matériaux, ont montré un compromis pour l'attachement, mais ont offert un avantage surprenant pour la croissance.

Bien que les échafaudages de gélatine aient été les meilleurs pour maintenir les follicules en place, ils n'étaient pas les meilleurs pour aider l'ovocyte à l'intérieur à atteindre sa taille complète. Les chercheurs ont mesuré le diamètre des ovocytes pour voir s'ils atteignaient une taille indiquant qu'ils sont prêts à être fécondés, un critère de référence connu sous le nom de compétence développementale. Chez la souris, un ovocyte doit atteindre un diamètre d'environ 70 à 72 micromètres pour être considéré comme compétent. Les ovocytes sur les échafaudages de gélatine ont grandi, mais ils sont restés plus petits que cette cible. Cependant, les ovocytes sur les échafaudages hybrides UF-PLG-gélatine ont grandi plus largement que le seuil de référence, atteignant un diamètre moyen de 75,6 micromètres. Cela suggère que si la gélatine était meilleure pour empêcher le follicule de se désagréger, le matériau hybride offrait un environnement permettant à l'ovocyte de se développer plus librement.

Les chercheurs ont également testé si le fait de rendre les échafaudages plus rigides modifiait le résultat. Ils ont augmenté la quantité de réticulation chimique, qui agit comme une colle pour durcir le matériau, et ont constaté que cela rendait effectivement les échafaudages de gélatine nettement plus rigides. Cependant, ce changement de rigidité n'a pas modifié de manière spectaculaire la façon dont les follicules s'attachaient ou la croissance des ovocytes. Les différences entre les matériaux eux-mêmes étaient bien plus importantes que les différences de dureté. Cette conclusion suggère que la nature chimique du matériau, plutôt que sa simple dureté physique, est le principal moteur du comportement du follicule.

Ces découvertes pointent vers une nouvelle façon de concevoir la construction d'organes artificiels. Pendant longtemps, les scientifiques espéraient trouver un matériau unique capable de tout faire parfaitement : maintenir le tissu en toute sécurité et l'aider à atteindre la maturité. Cette étude suggère qu'un tel matériau « universel » pourrait ne pas exister. Au contraire, les besoins d'un follicule en matière de stabilité sont différents de ses besoins en matière de croissance. La gélatine a fourni la stabilité nécessaire pour maintenir la structure intacte, tandis que la composante UF-PLG semblait offrir l'espace ou les signaux nécessaires pour que l'ovocyte atteigne son plein potentiel. Cela implique que les ovaires bioprothétiques les plus efficaces du futur devront peut-être être construits avec plusieurs matériaux, soigneusement disposés pour offrir un foyer sécurisé au follicule tout en offrant simultanément un environnement permissif pour la maturation de l'ovocyte. En comprenant que les différentes étapes du développement nécessitent différents environnements physiques, les scientifiques peuvent se rapprocher de la création d'une solution fiable pour restaurer la fertilité de ceux qui l'ont perdue à cause du cancer.