une chambre qui bat et pompe le sang cultivé en laboratoire

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Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont la principale cause de décès dans le monde. On estime que 17,9 millions de personnes sont décédées de maladies cardiovasculaires en 2019, ce qui représente 32 % de tous les décès dans le monde. C’est pourquoi ce domaine de recherche est en plein essor, notamment le sous-domaine des organes artificiels. Des scientifiques canadiens ont récemment mis au point un modèle miniature d’une cavité cardiaque fonctionnelle. Fabriqué à partir de vraies cellules cardiaques vivantes, il bat assez fort pour pomper du liquide à travers un tube. Il sera utilisé pour étudier les maladies cardiaques et tester de nouvelles thérapies potentielles qui ne nécessitent pas de chirurgie invasive.

Avec près de 18 millions de décès par an, les maladies cardiovasculaires constituent un problème de santé publique. L’OMS les décrit comme un véritable fardeau. Heureusement, la plupart des maladies cardiovasculaires peuvent être prévenues en s’attaquant aux facteurs de risque comportementaux tels que le tabagisme, une mauvaise alimentation et l’obésité, l’inactivité physique et la consommation nocive d’alcool.

Il est important de dépister les maladies cardiovasculaires le plus tôt possible afin que le traitement puisse débuter par des conseils et des médicaments. Cependant, des interventions chirurgicales sont parfois nécessaires, notamment pour la réparation et/ou le remplacement de valves cardiaques ou une transplantation cardiaque (donneur ou organe artificiel).

Malgré les efforts actuels en ingénierie d’organes sur puce pour créer des modèles miniatures du cœur, certains aspects physiologiques du cœur, y compris l’orientation des fibres, manquent souvent. Récemment, des chercheurs de l’Université de Toronto, dirigés par la professeure Milica Radisic, ont développé en laboratoire un petit modèle du ventricule cardiaque gauche humain – la taille du ventricule à 19 semaines de gestation. La construction de tissu bioartificiel est fabriquée à partir de cellules cardiaques vivantes et bat assez fort pour pomper du liquide à l’intérieur du bioréacteur, tout comme une vraie chambre. Le système est décrit en détail dans la revue Biologie avancée.

Tissu cardiaque plus grand que nature

Bon nombre des défis auxquels sont confrontés les ingénieurs tissulaires sont liés à la géométrie. Bien qu’il soit facile de cultiver des cellules humaines bidimensionnelles dans une boîte de Pétri, les résultats ressemblent peu à de vrais tissus ou organes. Direct, en particulier tout ce qui concerne la mécanique des fluides. Ainsi, l’équipe de recherche a utilisé une approche d’élastomère microfabriqué (échafaudage) qui permet l’assemblage hiérarchique de feuilles composées de cellules alignées en 2D dans une cavité cardiaque conique fonctionnelle.

Il faut savoir que généralement les échafaudages, décorés de rainures ou de structures en forme de mailles, sont ensemencés avec des cellules musculaires cardiaques et cultivés en milieu liquide. Au fil du temps, les cellules fusionnent pour former des tissus. La forme ou le motif du fond de l’échafaudage incite les cellules à adopter une configuration particulière. Les impulsions électriques sont utilisées pour contrôler la vitesse à laquelle ils battent.

Ici, les chercheurs ont utilisé trois feuilles trapézoïdales avec trois orientations de mailles différentes allant de -60° à +60°. Ils ont été inoculés avec des cellules obtenues à partir de tissus cardiovasculaires de jeunes rats. L’opération a été répétée deux fois pour obtenir trois couches à trois feuilles. Après une semaine de culture, pour faire ressembler cet assemblage de trois couches planes à une chambre, elles ont été enroulées autour d’un arbre conique surnommé le “mandrin”.

Captures d’écran de la vidéo du communiqué de presse de l’université. Couche gauche (A) de trois feuilles avec trois orientations de maillage différentes. Droite (B) processus d’enroulement sur mandrin. © Université de Toronto (édité par Laurie Henry pour Trust My Science)

Au final, l’équipe a obtenu un modèle de ventricule gauche en forme de cône inspiré de la taille d’un ventricule gauche humain de 19 semaines, qui a un diamètre interne de 0,5 millimètre et une hauteur d’environ 1 millimètre. Les cellules cardiaques dans les constructions 3D ont montré une viabilité élevée dans les 3 couches après 7 jours de culture.

De plus, trois couches superposées de cellules cardiaques battent à l’unisson grâce à une série de petites décharges électriques et sont capables de pomper du liquide. Le professeur Milica Radisic a déclaré dans un communiqué : « Jusqu’à présent, seules quelques tentatives ont été faites pour créer un véritable modèle 3D du ventricule, par opposition aux feuilles plates de tissu cardiaque. Pratiquement tous ont été fabriqués avec une seule couche de cellules. Mais un vrai cœur a de nombreuses couches et les cellules de chaque couche sont orientées selon des angles différents. Lorsque le cœur bat, non seulement ces couches se contractent, mais elles se tordent également, un peu comme tordre une serviette pour en extraire l’eau. Cela permet au cœur de pomper plus de sang qu’il ne le ferait autrement “.

L’espoir est que cela conduira à de nouvelles thérapies

Ce nouveau modèle pourrait offrir aux chercheurs une nouvelle façon d’étudier un large éventail de maladies et d’affections cardiaques, ainsi que de tester des thérapies potentielles. Le professeur Milica Radisic déclare : « Avec ces modèles, nous pouvons étudier non seulement la fonction cellulaire, mais aussi la fonction des tissus et des organes, le tout sans avoir besoin de chirurgie invasive ou d’expérimentation animale. Nous pouvons également les utiliser pour cribler de grandes bibliothèques de molécules de candidats médicaments et estimer leurs effets positifs ou négatifs. “.

Dans le cœur humain, le ventricule gauche est celui qui pompe le sang fraîchement oxygéné dans l’aorte et de là vers le reste du corps. Sargol Okhovatian (doctorant BME) explique : « Avec notre modèle, nous pouvons mesurer le volume systolique – la quantité de fluide expulsée à chaque contraction de la chambre – ainsi que la pression de ce fluide. Les deux étaient presque impossibles à obtenir avec les modèles précédents “.

Les auteurs ont donc mesuré le volume et la pression d’éjection à l’aide d’un cathéter à conduction, le même outil utilisé pour évaluer ces paramètres chez les patients. Actuellement, le modèle ne peut produire qu’une petite fraction – moins de 5% – de la pression de tir par rapport à un vrai cœur, ce qui est normal compte tenu de l’échelle du modèle. Il ne contient en fait que trois couches. Pour une simulation plus réaliste du muscle cardiaque, il en faudrait 11, ce qui augmenterait le volume et la pression d’éjection.

Cependant, en augmentant le nombre de couches, les couches intermédiaires n’ont plus accès à l’oxygène et commencent à mourir, ce qui nécessite des recherches supplémentaires sur la vascularisation du modèle. Enfin, en plus de la question de la vascularisation, les auteurs notent que les travaux futurs devraient se concentrer sur l’augmentation de la densité cellulaire pour augmenter le volume et la pression d’éjection. Il faudra également trouver un moyen de rétrécir ou d’enlever l’échafaudage.

Bien que le concept représente une avancée significative, il reste encore un long chemin à parcourir avant que de tels organes artificiels pleinement fonctionnels soient disponibles. Entre-temps, les facteurs de risque comportementaux connus pour les maladies cardiovasculaires, tels qu’une mauvaise alimentation, l’inactivité physique, le tabagisme et la consommation nocive d’alcool, devraient être réduits autant que possible. Ces plans de prévention et de sensibilisation soutenus par l’OMS permettent d’éviter les complications nécessitant une intervention chirurgicale lourde.

Source : Biologie avancée

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