Apatites nanocristallines biomimétiques comme modèles de la réactivité osseuse : étude des propriétés d'adsorption et de l'activité cellulaire d'un bisphosphonate, le tiludronate

Abstract

Ce mémoire porte sur l'étude de l'interaction entre un bisphosphonate, le tiludronate et des phosphates de calcium apatitiques nanocristallins comme modèles du minéral osseux. Les bisphosphonates sont principalement utilisés dans le traitement de maladies impliquant un désordre osseux telles que l'ostéoporose et la maladie de Paget. Cependant peu d'études existent sur le mécanisme d'interaction entre les bisphosphonates et le tissu osseux et les phénomènes présents à l'interface bisphosphonate/minéral osseux restent mal connus. Notre travail a donc consisté à étudier l'interaction entre un bisphosphonate, le tiludronate, et des apatites nanocristallines comme modèle du minéral osseux afin de mieux comprendre les propriétés physico-chimiques et l'activité cellulaire de ce type d'associations. Dans un premier temps, des apatites nanocristallines à différents stades de maturation et à différentes teneurs en carbonates correspondant à des compositions d'os jeune et mature ont été synthétisées et caractérisées. L'adsorption du tiludronate sur ces apatites nanocristallines, la caractérisation des supports après adsorption et les cinétiques de libération du tiludronate ont ensuite été examinées. L'adsorption du tiludronate correspond à un isotherme de type Langmuir. Le processus d'adsorption s'explique globalement par un échange ionique entre les molécules de tiludronate en solution et les ions phosphates présents à la surface de l'apatite. Toutefois la proportion d'ions phosphates libérés par molécule de tiludronate varie suivant les supports. Une modélisation de l'interaction entre le tiludronate et la surface des nanocristaux a été proposée en nous basant sur la littérature et en considérant différents modèle de la surface des nanocristaux. Elle suggère une interaction en deux temps : l'interaction entre les groupements phosphonates de la molécule et deux calcium de la surface suivie d'une déprotonation de la molécule et de l'exclusion d'un nombre variable d'ions phosphate. Dans un deuxième temps, des supports apatitiques avec et sans tiludronate ont été élaborés par pressage uniaxial et caractérisés. L'activité biologique des cellules osseuses de la lignée ostéoblastique (HOP et HBMSC) et ostéoclastique (ostéoclastes murins) au contact des supports a été étudiée. Les résultats montrent que le tiludronate adsorbé stimule la prolifération des ostéoblastes tandis qu'il inhibe la création de lacunes de résorption. La caractérisation des modèles tout au long des tests in vitro montre une évolution physico-chimique des supports semblable à celle du minéral osseux. Ce travail permet de préciser les mécanismes mis en jeu lors des traitements utilisant des bisphosphonates et de tester la validité d'études in vitro pour le criblage de molécules actives sur le tissu osseux.Bisphosphonates (BPs) are currently administrated to treat diseases involving bone disorders such as osteoporosis or Paget's disease. However, the interactions between bisphosphonate molecules and apatite nanocrystals of bone are not well understood. The aim of this work was to study the interactions between one bisphosphonate, tiludronate and nanocrystalline apatites with different compositions as bone mineral models in order to clarify the adsorption and release of BPs on/from bone mineral analogues and to evaluate the effect of such associations on osteoblast and osteoclast cells cultures. Several nanocrystalline apatites (NCA) corresponding to young and mature bone mineral models were synthesized and characterized. The adsorption of tiludronate onto NCA, corresponded to a Langmuir type isotherm. Only a very small fraction of the adsorbed molecules was released in water. The uptake of tiludronate molecules was associated with a linear increase of phosphate ions in the adsorbing solution, indicating that the main reaction was an ion exchange process involving surface anions. The proportion of ions involved in this exchange reaction depended on the nature of the bone mineral models. Based on these results a modification of the adsorption reaction including the ion exchange with phosphate ions was proposed. A model of the adsorption process is proposed, based on the literature and several nanocrystals surface models, suggesting an interaction in two steps: a binding of phosphonates groups with calcium ions on the apatite surface associated with the loss of protons from the adsorbing molecules and the release of surface phosphate ions to maintain some surface charge equilibrium. In order to study the effects of apatite nanocrystals with different compositions and with or without adsorbed tiludronate on cells cultures, apatite pellets were obtained by uniaxial compression. Human osteoprogenitor cells (HOP), human bone marrow stromal cells (HBMSC) and murine osteoclasts were cultured on these apatitic substrates. The results indicated that osteoblasts proliferation was stimulated by adsorbed tiludronate molecules whereas creation of resorption pits by osteoclasts was inhibited. No difference in cell behaviour was noticed on the different bone analogues. Moreover, an evolution of the physico-chemical characteristics of the apatitic substrate during cell culture was observed, highlighting the existence of dynamic interactions possibly similar to bone mineral evolution. This work contributes to clarify the reaction mechanisms between bisphosphonates and biomimetic apatites and to evaluate in vitro conditions for drug delivery system