14 juillet 2022 – Des chercheurs en génie de l’Université de Toronto ont développé en laboratoire un modèle à petite échelle d’un ventricule cardiaque gauche humain. La construction de tissu bioartificiel est faite de cellules cardiaques vivantes et bat suffisamment fort pour pomper du liquide à l’intérieur d’un bioréacteur.
Dans le cœur humain, le ventricule gauche est celui qui pompe le sang fraîchement oxygéné dans l’aorte, et de là dans le reste du corps. Le nouveau modèle développé en laboratoire 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.
“Avec notre modèle, nous pouvons mesurer le volume d’éjection – la quantité de liquide expulsée à chaque fois que le ventricule se contracte – ainsi que la pression de ce liquide”, explique Sargol Okhovatian. “Les deux étaient presque impossibles à obtenir avec les modèles précédents.”
Okhovatian et Mohammad Hossein Mohammadi sont co-auteurs principaux d’un nouvel article en biologie avancée qui décrit le modèle qu’ils ont conçu. Leur équipe multidisciplinaire était dirigée par le professeur Milica Radisic, auteur principal de l’article.
Les trois chercheurs sont membres du Centre de Recherche et d’Applications en Technologies Fluidiques (CRAFT). Partenariat unique entre le Conseil national de recherches du Canada et l’Université de Toronto, CRAFT regroupe des experts de renommée mondiale qui conçoivent, construisent et testent des dispositifs miniaturisés pour contrôler l’écoulement des fluides à l’échelle du micron, un domaine connu sous le nom de microfluidique.
« Les installations uniques dont nous disposons chez CRAFT nous permettent de créer des modèles sophistiqués d’organes sur puce comme celui-ci », déclare Radisic.
«Avec ces modèles, nous pouvons étudier non seulement la fonction cellulaire, mais aussi la fonction tissulaire et la fonction organique, 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 pour des effets positifs ou négatifs.
De nombreux défis auxquels sont confrontés les ingénieurs tissulaires sont liés à la géométrie : bien qu’il soit facile de faire croître des cellules humaines en deux dimensions – par exemple, dans une boîte de Pétri plate – les résultats ne ressemblent pas beaucoup à de vrais tissus ou organes tels qu’ils apparaîtraient chez l’humain. corps.
Pour passer en trois dimensions, Radisic et son équipe utilisent de minuscules échafaudages fabriqués à partir de polymères biocompatibles. Les échafaudages, qui sont souvent ornés de rainures ou de structures en forme de mailles, sont ensemencés avec des cellules musculaires cardiaques et laissés à se développer dans un milieu liquide.
Au fil du temps, les cellules vivantes se développent ensemble, formant un tissu. La forme ou le motif sous-jacent de l’échafaudage encourage les cellules en croissance à s’aligner ou à s’étirer dans une direction particulière. Les impulsions électriques peuvent même être utilisées pour contrôler la vitesse à laquelle elles battent – une sorte de gymnase d’entraînement pour le tissu cardiaque.
Pour le ventricule gauche bioartificiel, Okhovatian et Mohammadi ont créé un échafaudage en forme de feuille plate de trois panneaux en forme de maille. Après avoir ensemencé l’échafaudage avec des cellules et les avoir laissées pousser pendant environ une semaine, les chercheurs ont enroulé la feuille autour d’un arbre creux en polymère, qu’ils appellent un mandrin.
Le résultat : un tube composé de trois couches superposées de cellules cardiaques qui battent à l’unisson, pompant le fluide hors du trou à l’extrémité. Le diamètre intérieur du tube est de 0,5 millimètre et sa hauteur est d’environ 1 millimètre, ce qui en fait la taille du ventricule chez un fœtus humain vers la 19e semaine de gestation.
“Jusqu’à présent, il n’y a eu qu’une poignée de tentatives pour créer un véritable modèle 3D d’un ventricule, par opposition à des feuilles plates de tissu cardiaque”, explique Radisic.
« Pratiquement tous ceux-ci 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 on tord une serviette pour en essorer l’eau. Cela permet au cœur de pomper plus de sang qu’il ne le ferait autrement.
L’équipe a pu reproduire cet arrangement de torsion en modelant chacun de leurs trois panneaux avec des rainures à des angles différents les uns par rapport aux autres.
En collaboration avec le laboratoire du professeur Ren-Ke Li au sein du Réseau universitaire de santé, ils ont mesuré le volume et la pression d’éjection à l’aide d’un cathéter à conductance, le même outil utilisé pour évaluer ces paramètres chez les patients vivants.
Pour le moment, le modèle ne peut produire qu’une petite fraction – moins de 5% – de la pression d’éjection qu’un vrai cœur pourrait produire, mais Okhovatian dit qu’il faut s’y attendre compte tenu de l’échelle du modèle.
“Notre modèle a trois couches, mais un vrai cœur en aurait onze”, dit-elle.
«Nous pouvons ajouter plus de couches, mais cela rend difficile la diffusion de l’oxygène, de sorte que les cellules des couches intermédiaires commencent à mourir. Les vrais cœurs ont une vascularisation, ou des vaisseaux sanguins, pour résoudre ce problème, nous devons donc trouver un moyen de reproduire cela.
Okhovatian dit qu’en plus de la question de la vascularisation, les travaux futurs se concentreront sur l’augmentation de la densité des cellules afin d’augmenter le volume et la pression d’éjection. Elle veut également trouver un moyen de rétrécir ou éventuellement de retirer l’échafaudage, ce qu’un vrai cœur n’aurait pas.
Bien que le modèle de preuve de concept représente un progrès significatif, il reste encore un long chemin à parcourir avant que des organes artificiels pleinement fonctionnels soient possibles.
“Nous devons nous rappeler qu’il nous a fallu des millions d’années pour faire évoluer une structure aussi complexe que le cœur humain”, explique Radisic.
“Nous n’allons pas être en mesure de procéder à une ingénierie inverse dans quelques années, mais à chaque amélioration progressive, ces modèles deviennent plus utiles aux chercheurs et aux cliniciens du monde entier.”
“Le rêve de tout ingénieur tissulaire est de développer des organes entièrement prêts à être transplantés dans le corps humain”, a déclaré Okhovatian.
“Nous sommes encore loin de cela, mais j’ai l’impression que ce ventricule bioartificiel est un tremplin important.”
