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Réalisé par:

Mr. Mohamed REMARAM

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Plan de travail

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 La biocompatibilité est la capacité d'un matériau ou un dispositif de rester biologiquement inactif lors de la période d'implantation.

 Le but d'un test de biocompatibilité est de déterminer la toxicité potentielle résultante du contact de l'appareil avec le corps.

 Par conséquent, les dispositifs médicaux doivent être testés pour la cytotoxicité, la toxicité spécifique pour les organes peau et cibles, des l’irritation, la sensibilisation de la muqueuses, hémocompatibilité, les effets d'implantation, génotoxicité, de carcinogénicité, et les effets sur la reproduction.

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 Un biomatériau est un matériau non vivant utilisé dans un dispositif médical, à des fins thérapeutiques ou non, et appelé à interagir avec les systèmes biologiques.

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 Les biomatériaux ont une histoire longue de plus de mille ans.

Les premiers matériaux implantés ont été l’or, l’argent et le cuivre, sans aucune notion de biocompatibilité.

 la Conférence de consensus biomatériaux a proposé la définition suivante:  En 1986 : « Un matériau non viable, utilisé dans un dispositif médical pour interagir avec les milieux biologiques. ».

 Williams a proposé la définition suivante:  En 1987 : “biocompatibilité est la capacité d'un matériau à jouer avec une réponse de l'hôte appropriée dans une application spécifique” .

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 La biocompatibilité est la capacité d’un biomatériau à remplir une fonction spécifique avec une réponse appropriée de l’hôte.

 La biocompatibilité a longtemps été synonyme d’inertie du matériau, c’est-à-dire liée à l’absence de réponse de l’hôte et à l’absence de dégradation par l’hôte.

 L’or, par exemple, peut être défini comme un matériau biocompatible ou pas en fonction du but dans lequel il est employé : il est considéré comme biocompatible s’il est utilisé pour une restauration coronaire mais ne l’est pas s’il est employé comme implant orthopédique car il n’induit pas, comme le titane, d’ostéointégration.

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 Dans la stratégie globale d'évaluation de la biocompatibilité, il faut tenir compte non seulement des caractéristiques et des propriétés (physiques, chimiques, mécaniques et morphologiques) des matériaux, mais aussi de la tolérance de ces matériaux.

 La biocompatibilité implique non seulement les réponses des deux composants du système biomatériau-tissu mais également les phénomènes aux interfaces.

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Forme des échantillons d’essai:  Les matériaux qui ont diverses formes, tailles ou des états physiques (ex: le liquide, gels, solides, etc.) peut être testé sans modification dans les tests de cytotoxicité.

 L’échantillon d'essai préféré d'un matériau solide doit avoir au moins une surface plane. Sinon, des ajustements doivent être faits pour atteindre les surfaces planes.

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Stérilité des échantillons d'essai:  La stérilité de l'échantillon d'essai doit être prise en compte.

 Les échantillons de dispositifs stérilisés doivent être manipulés de façon aseptique tout au long de la procédure d'essai.

 Si les échantillons d'essai non-stériles sont utilisés, elles doivent être vérifiées pour la contamination bactérienne, car la contamination peut conduire à une évaluation erronée de la cytotoxicité.

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• • • •  Il existe une chronologie des tests réalisés: •  Essais primaires: essais de génotoxicité (in vitro).

essais de vivo).

cancérogénicité et reproduction essais d’ hémolyse (in vitro).

essais de toxicité systémique (in vivo).

essais de cytotoxicité (in vitro) .

(in

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• • • •  Essais secondaires: essais d’ irritation muqueuse essais d’irritation cutanée (in vivo).

(in vivo).

essais de sensibilisation odontologie).

(in vivo) (obligatoire en essais d’ implantation odontologie).

(in vivo) (obligatoire en  Essais d’utilisation chez l’animal: dans les conditions normales d’utilisation du biomatériau.

 Essais cliniques chez l’homme

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 Des essais de culture de cellules sont utilisés pour évaluer la biocompatibilité d'un matériau ou d'un extrait par l'utilisation de cellules isolées in vitro. Ces techniques sont utiles pour évaluer le potentiel de toxicité ou d'irritation des matériaux et produits chimiques.

 Il existe trois tests de cytotoxicité couramment utilisés pour les dispositifs médicaux :  Les tests de contact direct(figure 1).  Le test de diffusion en gélose(figure 2).  Le test d'élution.

 Le choix d'un ou plusieurs de ces catégories dépend de la nature de l'échantillon à être évaluer.

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Figure 1 -Fibroblastes pulpaires au contact d’un biomatériau lors d’un test de contact direct

Il existe une zone d’inhibition entre les cellules et le biomatériau montrant une certaine cytotoxicité

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Figure 2 -Zones d’inhibitions décolorées lors d’un test de surimposition d’agarose évaluant la cytotoxicité de certains ciments de scellement canalaires 17

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  Ils évaluent les effets des dispositifs médicaux et de leurs produits de dégradation sur les mutations géniques, les changements de structure chromosomique ou toute autre modification des gènes et de l’ADN.

Le plus connu est le test d’Ames (figure 3), on introduit avec l’échantillon que l'on veut tester la Salmonella Typhimurium qui est une bactérie très sensible aux mutations des gènes. Cette bactérie ne sait pas synthétiser l'histidine (l'un des acides amines qui se trouvent dans le gène ). Au moment ou cette bactérie nous synthétise de l'histidine on dit qu'elle a subit une mutation gêneuse .

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Figure 3 -Boîte de culture montrant des colonies de Salmonella Thyphimurium ayant muté après la mise en contact avec un matériau mutagène.

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 Les chromosomes sont des structures moléculaires massive trouve dans le noyau de la cellule.

 Les chromosomes sont constitués d'ADN ainsi qu'une multitude d'assister à des molécules comme les protéines et les lipides.

 L'ADN double-brin est constitué de quatre répéter acides nucléiques ou des nucléotides.

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    Les agents génotoxiques comme mutagènes.

sont également connus Les mutations sont des modifications de l'ADN qui se traduisent par un gène, c'est à dire mal exprimée.

Les mutations sont des événements naturels, des dizaines se produisent ou centaines de fois par jour dans un organisme.

La plupart des mutations sont réparées par le toilettage de la cellule et les mécanismes de réparation.

Un seul événement mutationnel pourrait devenir un cancer cliniquement décelable dans environ six ans.

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 Études des implants sont utilisés pour déterminer la biocompatibilité des dispositifs médicaux ou biomatériaux directement en contact avec les tissus vivants autres que la peau (par exemple: sutures, dispositifs implantables, etc.) .

 Ces tests peuvent évaluer les dispositifs, qui, dans l'utilisation clinique, sont destinés à être implantés soit pour un court terme ou à long terme.

 Les techniques d'implantation sont utilisés pour fournir une évaluation raisonnable de la sécurité, l'étude implant doit se rapprocher de l'usage clinique.

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 Essai Hémocompatibilité comprend une batterie complète de tests requis de tout ce qui entre  en contact avec du sang.

L’interaction dispositif/sang c’est toute interaction entre le sang ou tout autre composant du sang et un dispositif entraîne des effets sur le sang, ou sur un organe ou un tissu, ou sur le périphérique.

 Ce test comprend des essais sur la thrombose, coagulation, plaquettaire, hématologie et système du complément.

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  Thrombose: Dans le phénomène in vivo entraînant l'occlusion partielle ou complète d'un navire ou d'un dispositif par un thrombus. Un thrombus est composé d'un mélange de globules rouges, plaquettes agrégées, la   fibrine et d'autres éléments cellulaires.

Coagulation: Phénomène qui résulte de l'activation de la cascade de  facteurs de coagulation.

Les facteurs de la coagulation et du système fibrinolytique peuvent être mesurée après l'exposition à des dispositifs in vitro ou in vivo.

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  Plaquettaire: Anucléées, le corps cellulaire qui est présente dans la circulation qui adhère aux surfaces et des agrégats pour former un bouchon hémostatiques pour réduire les saignements. Test Platelet inclut la quantification du nombre de plaquettes ainsi que l'analyse de leur structure et la fonction. Les essais peuvent comprendre une analyse des facteurs plaquettaires, ou de composants sur la surface des plaquettes qui sont libérées par les plaquettes ou adhérents à la surface du dispositif.

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  Hématologie: Etude du sang, y compris la quantification des   composants cellulaires et le plasma du sang.

Système du complément: Partie du système immunitaire inné, composé de plusieurs protéines plasmatiques y compris les enzymes et les récepteurs cellulaires. Molécules effectrices produites à partir de composants du complément sont impliqués dans l'inflammation, la phagocytose et la lyse cellulaire.

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 Ce test estime le potentiel d'irritation locale des appareils, des matériaux ou des extraits, en utilisant des sites comme peau ou les muqueuses, le plus souvent dans un modèle animal.

 Dans le test intradermique, des extraits du matériel d'essai sont injectés par voie intradermique. Les sites d'injection sont marqués pour l'érythème(rougeur et gonflement). Cette procédure est recommandée pour les appareils qui ont un contact externe ou interne communiquant avec les fluides corporels ou de l'organisme. Il détecte de manière fiable le potentiel d'irritation locale due à des produits chimiques qui peuvent être extraits à partir d'un biomatériau.

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 Les études de sensibilisation aider à déterminer si un matériau contenant des produits chimiques qui causent des effets indésirables locales ou systémiques après exposition répétée ou prolongée.

 Étude visant à déterminer le potentiel de sensibilisation peut être réalisée en utilisant des produits chimiques spécifiques du matériel d'essai  En particulier, le test est destiné à une réaction d'hypersensibilité de type retardé.

 Il s'agit d'une réponse immunitaire qui prend quelques jours  pour se développer.

Poison IVY est un bon d'hypersensibilité de type retardé.

exemple d'une réaction

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  Toxicité systémique (aiguë) évalue le potentiel effets néfastes des dispositifs médicaux sur le corps organes et de tissus qui sont éloignés du site de contact.

Biocompatibilité des matériaux Matrice recommande de tester tous les appareils contact avec le sang.

Peut également être utile pour tout autre dispositif que les tissus contacts internes.

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 Les études de carcinogénicité des agents chimiques est utilisé la dose maximale tolérée (DMT) ,elle est déterminé à partir des données provenant d’études de toxicité d’une durée de trois mois.

 Les produits pharmaceutique ayant une faible toxicité chez les rongeurs, l’utilisation de la DMT peut entraîner l’administration de très fortes doses dans les études de carcinogénicité. ainsi pour des substances génotoxiques.

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 Les substances non génotoxiques lesquelles il peut exister des doses limites et dont les effets carcinogènes peuvent résulter de modifications physiologiques, les extrapolations linéaires effectuées à partir des effets entraînés par des doses élevées ont été remises en question. On s'interroge donc sur le bien fondé de l'utilisation des doses auxquelles sont exposés les rongeurs, qui sont considérablement supérieures à celles prévues chez l'être humain, pour déterminer le risque chez ce dernier.

Étant donné que ces doses entraînent des modifications physiologiques très importantes chez les espèces testées, les résultats de ces études peuvent ne pas refléter les effets qui résulteraient de l'exposition de l'être humain.

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 La toxicité de reproduction et un aspects de la fonction reproductive male et femelle peuvent être étudiées in vitro jusqu’à un certain degré ,et de nombreux composants cellulaires d’organes de reproduction.

 La toxicité de développement (tératogénicite) peut être étudiée grâce à des cultures cellulaires utilisant un test sur cellule souche embryonnaire.

 Des études préliminaires avaient indiqué que les cellules souches embryonnaires pouvaient prédire la toxicité chez l’homme avec plus de 80 % de précision.

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 Essais d’utilisation chez l’animal: Lors des essais d’utilisation, les matériaux sont utilisés chez l’animal dans les conditions réelles de mise en place et de fonction. Ils ne sont pas obligatoires et restent sous la responsabilité du fabricant qui doit décider ou non de la nécessité de sacrifier des animaux de laboratoires.

 Essais clinique chez l’homme: Ils sont réalisés chez l’homme après avis du comité départemental d’éthique, réalisés en clinique par un «investigateur » et les résultats sont vérifiés par un «moniteur » indépendant.

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• • •  Les tests in vitro:  Avantages: plus rapides que les tests in vivo.

moins onéreux.

les tests in vitro permettent d'évaluer séparément les effets biologiques de chacun des composants du matériau.

• Les tests de génotoxicité sont beaucoup plus rapides et moins coûteuses comparant avec les tests de carcinogénicité.

• Il est aussi plus humain parce qu'il ne cause pas de souffrance aux animaux vivants.

• •  Inconvénients: ils n’ont que peu de rapport avec la clinique.

ils sont trop sensibles.

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• •  Les tests in vivo:  Avantages: Ils sont beaucoup plus proches de la clinique. Ils permettent d’évaluer les effets d’un matériau sur des organes loin de l’organe cible.

• • • Ils permettent d’évaluer la toxicité des métabolites.

 Inconvénients: Les tests réalisés sur des animaux de laboratoire peuvent ne pas avoir de rapport avec l’espèce humaine.

Il peut être difficile de simuler la pathologie préexistante (carie, lésion parodontale).

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 Quand on parle d’expérimentation animale, que faut-il entendre au juste ? L’expérimentation animale, encore dénommée vivisection, est une méthode appliquée dans le cadre de recherches médicales ou cosmétologiques qui a recours à l’expérimentation sur les animaux dans le but de s’assurer qu’une substance donnée n’est pas dangereuse et peut être administrée avec profit aux hommes, dans une perspective souvent thérapeutique. Cette méthode repose alors sur le postulat de la similitude - 80% du patrimoine génétique des souris (animaux de laboratoire parmi les plus utilisés) serait commun avec celui de l’homme - où de la découverte d’un effet recherché chez l’animal, on en déduira une réaction similaire chez l’homme.

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 Et le recours à l’expérimentation animale est d’autant plus fréquent que la loi exige qu’avant toute commercialisation potentiellement dangereuses les pour substances l’homme soient préalablement testées afin de prévenir tout risque pour l’homme. En plus des médicaments, cette réglementation s’impose aussi aux cosmétiques, aux pesticides aux produits ménagers et aux biomatériaux qui sont le sujet de notre thème.

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

Ce sont les œuvres de

Galien

(130 201) et ses idées sur la physiologie et l'anatomie qui serviront de source dogmatique aux médecins pendant quinze siècles. Ses recommandations de s'appuyer sur l'expérimentation (dissection) et non sur les écrits furent oubliées.

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A partir de la Renaissance, l'observation directe et l'expérimentation (chirurgie) vont se développer lentement (Léonard de Vinci, 1452-1519 ; Vésale 1514-1564). La dissection des cadavres d'animaux permettait d'identifier la position des organes. Ces descriptions suppléaient à celles que l'on ne pouvait faire à partir de l'homme, étant donné le tabou sur la dissection des cadavres humains et la rareté des dissections.

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 Puis Harvey (1578 1657) pratiqua la vivisection sur l'animal, dans le but de reconnaître sur le vivant les fonctions des organes, puis celles des tissus dont la dissection avait identifié la position sur le cadavre. Harvey fut aussi un des premiers à user de la quantification (mesure du volume sanguin) malgré la difficulté des mesures. Grâce à ces deux approches, il prouva la circularité du mouvement du sang, concept qui fonda la physiologie moderne.

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ESSAI DE SENSIBILISATION:

Le test de référence est le Guinea Pig Maximization Test (GPMT) réalisé sur des cochons d’inde. Les animaux sont mis 2 fois en contact avec le biomatériau à 15 jours d’intervalle. La peau est observée à 24, 48 et 72 heures et la réaction cutanée évaluée selon un tableau permettant de la classer en 5 grades. L’animal n’est pas sacrifié et il n’y a aucune évaluation histologique des résultats.

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ESSAI D’IMPLANTATION

: Après implantation intra osseuse du matériau dans la mandibule ou le fémur de lapin, les animaux sont sacrifiés à 1 mois (court terme) ou 3 mois (long terme). Après préparation histologiques les résultats sont analysés selon les critères de la norme ISO suivants : - présence de cellules de l’inflammation.

- interposition fibreuse.

- dégénérescence de la moelle osseuse.

- nécrose osseuse.

- présence de débris.

- granulome.

Ceci permet de classer les réactions en : absente, légère, modérée et sévère (Figure 4).

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Figure 4 -Exemples de réaction absente (a), légère (b), modérée (c) et sévère (d) après implantation intra osseuse chez le lapin.

On peut noter respectivement : le remplacement total du biomatériau par de l'os néoformé (*), l'apposition osseuse au contact de quelques restes du biomatériau (*), la persistance du biomatériau au contact d'un tissu inflammatoire (*) et la désorganisation totale de tous les tissus en contact du biomatériau.

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Essai d’irritation (test de Draize):

Ce test est appliqué sur les lapins et la procédure opératoire à suivre est la suivante :

Test d'irritation oculaire:

✔ Introduction de quelques gouttes.

✔ Maintient de la paumière fermée.

✔ ✔ Relâchement de la paupière.

Observation.

Test d'irritation cutanée:

✔ Rasage du pelage.

✔ Application de la substance.

✔ Vérification si irritation.

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    Tous les organismes animaux sont constitués de gènes, de cellules et de tissus ; ils fabriquent une très grande diversité de molécules essentielles à leur croissance et à leur reproduction, tout comme l’organisme humain.

Les animaux possèdent les mêmes grands systèmes physiologiques que l’homme (digestif, respiratoire, reproducteur, nerveux et immunitaire), et leur étude constitue une source inépuisable de connaissance. L’animal apparaît ainsi comme le modèle d’étude le plus adapté de la complexité de la physiologie humaine.

De nouvelles méthodes n’ont cessé d’apparaître pour diminuer le recours à l’animal : elles sont couramment nommées méthodes alternatives.

Parmi celles-ci, on peut citer l’imagerie, la modélisation mathématique et les expériences sur cultures de cellules. Les chercheurs utilisent ces méthodes en priorité, non seulement pour des raisons d’éthique, mais aussi pour des raisons de simplification du modèle étudié ou de moindre coût.

Cependant, elles ne permettent d’étudier que des phénomènes simples.

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 Quelle que soit leur sophistication, elles ne pourront jamais simuler dans toute sa complexité et dans toutes ses interactions l’être vivant lui même. Complémentaires de l’étude sur l’animal total, elles ne peuvent s’y substituer.

 Les études menées in vitro, par exemple, permettent d’obtenir des résultats scientifiques importants pour une première étape de recherche.

 Cependant, quand il s’agit de comprendre la réaction d’un organisme à un composé donné, la connaissance de la réaction d’un groupe de cellules ne peut pas permettre de prédire la réaction d’un organisme entier. Seule l’étude sur l’animal vivant résoudra cette question. Ainsi, toutes ces méthodes, complémentaires de l’étude sur l’animal, ne peuvent s’y substituer complètement.

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L’évaluation de la biocompatibilité ne peut être faite qu’à partir d’un ensemble de tests. Ces derniers doivent être réalisés mais surtout interprétés par des spécialistes en fonction de la future utilisation clinique du biomatériau. Cela permet d’éviter de rejeter des biomatériaux utilisés avec succès depuis longtemps et qui ne passeraient pas les tests imposés aujourd’hui aux matériaux modernes.

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