Une solution sucrée à un problème de fissures : des scientifiques conçoivent de nouvelles molécules bio-inspirées pour favoriser la régénération osseuse
Une équipe interdisciplinaire a mis au point de nouvelles molécules bio-inspirées à base de sucre qui pourraient améliorer la régénération osseuse.
La capacité de régénération des os diminue avec l'âge et est encore réduite par des maladies telles que l'ostéoporose. Pour aider la population vieillissante, les chercheurs sont à la recherche de nouvelles thérapies qui améliorent la régénération osseuse. Aujourd'hui, une équipe interdisciplinaire de chercheurs du centre de biotechnologie (BIOTEC) et de la faculté de médecine de l'université technique de Dresde, ainsi qu'un groupe du centre Max Bergmann des biomatériaux (MBC), ont mis au point de nouvelles molécules bio-inspirées qui améliorent la régénération osseuse chez la souris. Les résultats ont été publiés dans la revue Biomaterials.
L'équipe : Maria Teresa Pisabarro, Gloria Ruiz Gómez, Juliane Salbach-Hirsch et Lorenz Hofbauer.
TUD/Magdalena Gonciarz
Une représentation artistique de la conception rationnelle assistée par ordinateur et basée sur la structure.
Gloria Ruiz Gómez
Avec l'âge, la capacité de régénération des os diminue. Les fractures mettent plus de temps à guérir et des maladies comme l'ostéoporose ne font qu'aggraver la situation. Il s'agit là d'un grave problème de santé pour la population vieillissante et d'un fardeau socio-économique croissant pour la société. Pour lutter contre ce problème, les chercheurs sont à la recherche de nouvelles approches thérapeutiques susceptibles d'améliorer la régénération osseuse.
Une équipe de scientifiques de Dresde a utilisé la modélisation et les simulations informatiques pour concevoir de nouvelles molécules bio-inspirées afin d'améliorer la régénération osseuse chez les souris. Les nouvelles molécules peuvent être incorporées dans des biomatériaux et appliquées localement sur des défauts osseux. Ces nouvelles molécules sont basées sur les glycosaminoglycanes, qui sont des sucres à longue chaîne tels que l'acide hyaluronique ou l'héparine.
Une solution douce pour un vieil os
"Grâce aux travaux de notre groupe et à ceux d'autres chercheurs, nous connaissons une voie moléculaire distincte qui régule la formation et la réparation des os. En fait, nous pouvons la réduire à deux protéines qui travaillent ensemble pour bloquer la régénération osseuse, la sclérostine et la dickkopf-1", explique le professeur Lorenz Hofbauer. "Le grand défi pour développer des médicaments qui améliorent la guérison osseuse est de désactiver efficacement et simultanément ces deux protéines, qui agissent comme des signaux de freinage."
Une approche interdisciplinaire a permis de relever ce défi. Le groupe de bioinformatique structurelle dirigé par le professeur Maria Teresa Pisabarro au centre de biotechnologie (BIOTEC) de l'université technique de Dresde et le groupe de biomatériaux fonctionnels dirigé par le docteur Vera Hintze au centre Max Bergmann de biomatériaux (MBC), à l'institut de science des matériaux de l'université technique de Dresde, ont associé leur savoir-faire à celui du professeur Lorenz Hofbauer, expert en os, à la faculté de médecine de l'université technique de Dresde.
"Depuis plusieurs années, nous exploitons la puissance des simulations informatiques pour étudier la manière dont les protéines régulant la formation osseuse interagissent avec leurs récepteurs. Tout cela pour concevoir de nouvelles molécules capables d'interférer efficacement avec ces interactions. Nous avons travaillé en tandem entre l'ordinateur et la paillasse, en concevant de nouvelles molécules et en les testant, en renvoyant les résultats à nos modèles moléculaires et en apprenant davantage sur les propriétés moléculaires requises pour atteindre notre objectif", explique le professeur Pisabarro.
Enfin, l'équipe du laboratoire des os de Lorenz Hofbauer a utilisé un biomatériau chargé des nouvelles molécules sur des défauts osseux chez des souris afin de tester leur efficacité. Le groupe a constaté que les matériaux contenant les nouvelles molécules étaient plus performants que le biomatériau standard et qu'ils amélioraient la cicatrisation osseuse jusqu'à 50 %, ce qui indique leur potentiel d'amélioration de la régénération osseuse.
Chaîne de valeur ajoutée : De l'ordinateur à la paillasse et vice-versa
L'équipe pluridisciplinaire a utilisé la conception rationnelle de médicaments pour créer de nouvelles molécules aux propriétés adaptées et aux effets secondaires minimes. En utilisant des méthodes informatiques pour prédire et affiner les propriétés des molécules conçues, l'équipe a pu développer une série de candidats ayant le plus grand potentiel pour désactiver les protéines qui bloquent la régénération osseuse.
L'expertise du groupe de Pisabarro a permis une analyse approfondie des structures tridimensionnelles (3D) des deux protéines qui bloquent la régénération osseuse. Ils ont ainsi pu modéliser leur interaction avec leurs récepteurs en 3D et identifier les "points chauds", c'est-à-dire les propriétés physicochimiques et dynamiques spécifiques qui sont essentielles pour que l'interaction biologique se produise.
"Nous avons utilisé la modélisation moléculaire pour concevoir de nouvelles structures qui imitent les interactions pertinentes des récepteurs avec les deux protéines. Nous voulions que cette liaison soit plus forte que leurs interactions naturelles. De cette manière, nos nouvelles molécules détourneraient simultanément les protéines et les désactiveraient effectivement pour activer la régénération osseuse", explique le professeur Pisabarro.
"Les molécules conçues par le groupe de Pisabarro ont été synthétisées par nos collègues de l'Université libre de Berlin, puis analysées en ce qui concerne leurs propriétés de liaison aux protéines par le biais d'une analyse biophysique des interactions", explique le Dr Hintze. "Pour chacune des molécules, nous avons pu mesurer la force de liaison avec les protéines et leur interférence avec la liaison naturelle des récepteurs aux protéines. Ainsi, nous avons pu révéler empiriquement l'efficacité de chacune des petites molécules à désactiver les protéines inhibitrices". Le groupe Hofbauer a ensuite testé la pertinence biologique de ces études d'interaction dans un modèle de culture cellulaire, puis chez la souris.
Les résultats de ces tests itératifs constituent un atout précieux qui améliore les modèles moléculaires actuels du groupe de Pisabarro et peuvent être utilisés pour guider le développement de nouvelles molécules plus efficaces à l'avenir. Une telle approche permet également de réduire au minimum la recherche sur les animaux et de n'intégrer le projet que dans sa phase finale.
En route vers le développement de médicaments
Les résultats obtenus par l'équipe représentent une étape passionnante dans le développement préclinique. Les molécules nouvellement conçues pourraient potentiellement être utilisées pour désactiver les protéines qui bloquent la régénération osseuse et conduire au développement de nouveaux traitements plus efficaces pour les fractures osseuses et d'autres affections liées aux os.
L'équipe continue de travailler ensemble. "Nous demandons un financement pour une étude préclinique qui permettra de poursuivre le développement des molécules et du stimulateur osseux à base de biomatériau afin de préparer le terrain pour des études chez l'homme", explique le professeur Hofbauer.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Gloria Ruiz-Gómez, Juliane Salbach-Hirsch, Jan-Niklas Dürig, Linda Köhler, Kanagasabai Balamurugan, Sandra Rother, Sophie-Luise Heidig, Stephanie Moeller, Matthias Schnabelrauch, Giulia Furesi, Sophie Pählig, Pedro M. Guillem-Gloria, Christine Hofbauer, Vera Hintze, M. Teresa Pisabarro, Jörg Rademann, Lorenz C. Hofbauer: Rational engineering of glycosaminoglycan-based Dickkopf-1 scavengers to improve bone regeneration. Biomaterials (April 2023)
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