Une équipe d’ingénieurs biomédicaux a mis au point un muscle cardiaque humain artificiel entièrement fonctionnel qui peut être utilisé comme patch pour réparer le muscle cardiaque mort.
Les ingénieurs biomédicaux de l’université de Duke ont développé le patch pour l’utiliser chez des patients humains qui ont déjà subi une crise cardiaque.
« À l’heure actuelle, pratiquement toutes les thérapies existantes visent à réduire les symptômes des dommages déjà causés au cœur, mais aucune approche n’a pu remplacer le muscle perdu, car une fois qu’il est mort, il ne repousse pas de lui-même », a déclaré Ilia Shadrin, doctorant en génie biomédical à l’Université Duke et premier auteur de l’étude, dans un communiqué de presse. « C’est une façon pour nous de remplacer le muscle perdu avec des tissus fabriqués en dehors du corps. »
Après une crise cardiaque, le cœur est incapable de se régénérer naturellement. Le tissu cicatriciel remplace le muscle mort et les signaux électriques ne sont plus transmis aux contractés, ce qui signifie qu’un battement de cœur ne sera pas aussi fort ou aussi régulier qu’avant la crise cardiaque.
Lorsque le cœur est incapable de se régénérer, une insuffisance cardiaque se produit. Environ 5,7 millions d’Américains souffrent d’insuffisance cardiaque, selon le CDC. Près de la moitié des personnes diagnostiquées avec une insuffisance cardiaque mourront dans les cinq ans.
Les chercheurs ont testé l’utilisation de cellules souches provenant de la moelle osseuse, du sang ou du cœur et leur implantation dans la zone endommagée pour reconstituer le muscle endommagé. Cependant, moins de 1% des cellules injectées sont capables de survivre et de rester dans le cœur et une quantité encore plus faible devient des cellules du muscle cardiaque.
Les patchs cardiaques implantés sur les muscles cardiaques morts sont capables de rester actifs plus longtemps tout en donnant au cœur la force dont il a besoin pour que les signaux électriques le traversent. Les patchs sont également capables de sécréter des enzymes et des facteurs de croissance qui aident les tissus endommagés qui ne sont pas morts.
Le patch cardiaque développé par l’Université Duke est le premier patch artificiel de muscle cardiaque qui est à la fois assez grand pour couvrir la zone endommagée et assez fort et électriquement actif pour être une option dans la réparation des cellules mortes du muscle cardiaque.
« La création de cellules individuelles du muscle cardiaque est assez banale, mais les gens se sont concentrés sur la culture de tissus miniatures pour le développement de médicaments », a déclaré Nenad Bursac, professeur d’ingénierie biomédicale à l’Université Duke. « La mise à l’échelle à cette taille est quelque chose qui n’a jamais été fait et qui a nécessité beaucoup d’ingéniosité d’ingénierie. »
Les cellules sont cultivées à partir d’appels de souches pluripotentes humaines qui peuvent se transformer en n’importe quel type de cellule dans le corps. Les cellules cardiaques peuvent être cultivées à partir de cardiomyocytes, de fibroblastes et de cellules endothéliales et musculaires lisses. La bonne combinaison de cellules, de structures de soutien, de facteurs de croissance, de nutriments et de conditions de culture peut créer le bon environnement pour faire pousser de grands patchs de tissus cardiaques humains entièrement fonctionnels, un processus sur lequel l’équipe de recherche travaille depuis des années.
« Il s’avère que balancer les échantillons pour les baigner et les éclabousser afin d’améliorer l’apport de nutriments est extrêmement important », a déclaré Shadrin. « Nous avons obtenu des résultats trois à cinq fois meilleurs avec les cultures à bascule par rapport à nos échantillons statiques. »
Les résultats étaient meilleurs que d’autres patchs de 1 cm2 et 4 cm2 qu’ils avaient précédemment développés. Après avoir agrandi les patchs à 16 cm2 et à une épaisseur de cinq à huit cellules, le muscle cardiaque s’est révélé entièrement fonctionnel avec des propriétés électriques, mécaniques et structurelles qui imitaient un cœur normal et sain.
« C’est extrêmement difficile à faire, car plus le tissu cultivé est grand, plus il est difficile de maintenir les mêmes propriétés dans tout le tissu », a déclaré Bursac. « Il a été tout aussi difficile de faire mûrir les tissus jusqu’à ce qu’ils atteignent la force d’un adulte dans un délai rapide de cinq semaines, tout en obtenant des propriétés qui nécessitent généralement des années de développement humain normal. »
Les patchs cardiaques ont été testés sur des cœurs de souris et de rats et ont pu survivre, se vasculariser et rester fonctionnels après avoir été implantés. Les chercheurs suggèrent que pour que le patch cardiaque soit un remplacement viable du muscle cardiaque mort chez les patients humains, il devrait être plus épais que ce qu’ils ont développé. Les patchs doivent être vascularisés pour que les cellules puissent recevoir suffisamment d’oxygène et de nutriments pour être assez épais pour fonctionner a muscle cardiaque dans le cœur humain.
« Une intégration complète comme celle-là est vraiment importante, non seulement pour améliorer le pompage mécanique du cœur, mais aussi pour assurer la propagation harmonieuse des ondes électriques et minimiser le risque d’arythmies », a déclaré Shadrin.
« Nous travaillons activement sur ce point, comme d’autres, mais pour l’instant, nous sommes ravis d’avoir compris la partie « la taille compte » », a déclaré Bursac.
Sharon et Bursac prévoient d’intégrer les patchs dans des cœurs de porc avec l’aide de chercheurs de l’Université d’Alabama, tandis que les chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison travailleront sur le développement de cellules souches améliorées pour créer les principaux types de cellules qui composent les patchs cardiaques afin de minimiser la réponse immunitaire dans les implants.
La recherche a été publiée dans la revue Nature Communications et a été financée par les National Institutes of Health.