Comment réparer un cœur brisé

Cette histoire sur les cœurs artificiels fait partie d’une longue série sur la médecine régénérative. Pour d’autres histoires sur ce sujet, voir williamhaseltine.com et recherchez la médecine régénérative. Ma définition de la médecine régénérative est toute modalité médicale qui nous ramène à une santé normale lorsque nous sommes endommagés par une maladie, blessés par un traumatisme, désavantagés par la naissance ou usés par le temps. Les modalités comprennent : les produits chimiques, les gènes, les protéines et les cellules utilisées comme médicaments, l’édition de gènes, les prothèses et les interfaces esprit-machine.

Les maladies cardiaques touchent environ 82,6 millions de personnes aux États-Unis et est l’une des principales causes de décès chez les hommes et les femmes. Une solution pour ceux qui souffrent d’insuffisance cardiaque avancée est la transplantation cardiaque. Malheureusement, il y a actuellement une pénurie nationale de cœurs de donneurs humains. Les scientifiques ont tenté de créer des cœurs artificiels ou d’utiliser des organes de porc au lieu de cœurs humains pour les chirurgies de transplantation. Cependant, les méthodes actuelles de production de cœurs artificiels sont généralement infructueuses et l’utilisation d’organes de porc pour les greffes peut entraîner de graves infections.

Maintenant, un groupe de l’Université de Harvard s’attaque à ce problème grâce à une nouvelle méthode innovante de croissance de cœurs artificiels. En construisant une structure artificielle et en implantant des cellules cardiaques, les chercheurs ont pu faire croître les cellules cardiaques selon un modèle qui imitait l’organisation naturelle des muscles du cœur. Cette étude sert de tremplin important vers le développement de cœurs artificiels entièrement fonctionnels.

Le cœur est en grande partie constitué de muscles disposés de manière hélicoïdale. Lorsque le cœur se contracte, ses muscles à motif hélicoïdal s’engagent dans un mouvement de torsion pour expulser le sang du cœur. En fait, cette structure hélicoïdale est censée être une caractéristique cruciale des cœurs sains et fonctionnels. De nombreuses personnes souffrant de dysfonctionnement cardiaque présentent également une structuration musculaire anormale.

Dans le passé, plusieurs études ont tenté de faire pousser des cœurs artificiels avec des motifs hélicoïdaux à l’aide d’imprimantes 3D. Ces études ont été en grande partie infructueuses car les imprimantes 3D sont incapables d’obtenir les minuscules détails de la structure du cœur dans un délai raisonnable. Par exemple, une imprimante 3D pourrait prendre des centaines d’années pour imprimer même un petit composant des structures du cœur avec suffisamment de détails pour que les cellules se développent selon les modèles corrects.

Alors, comment les scientifiques de l’Université de Harvard ont-ils réussi cet exploit ?

Sachant qu’une simple imprimante 3D a des limites importantes, Chang et al. tournée vers une autre technique : la filature de fibres. Le filage de fibres est une méthode qui utilise des matériaux similaires aux imprimantes 3D, mais qui peut produire des structures beaucoup plus fines et à haute résolution.

Traditionnellement, les matériaux sont chauffés et extrudés à partir d’un petit trou pour créer des fibres singulières à l’échelle microscopique. Les fibres peuvent ensuite être collectées ou traitées pour former des structures 3D.

Le filage de fibres peut créer des structures avec de très hautes résolutions. Cependant, les méthodes traditionnelles de filature de fibres sont souvent imprécises et ne seraient pas en mesure de former les motifs hélicoïdaux cohérents du cœur. Cela a incité Chang et al. pour concevoir une nouvelle méthode de filature de fibres qui leur permettrait non seulement de créer la structure 3D du cœur à une échelle microscopique, mais serait également suffisamment précise pour former le motif hélicoïdal du cœur.

Chang et al. a créé un nouveau dispositif de filage de fibres avec deux caractéristiques de conception majeures. Tout d’abord, au lieu d’extruder simplement le matériau au hasard dans une direction, le dispositif de filature de fibres contient une «filière» qui tourne à grande vitesse. Lorsque le matériau chauffé est poussé dans le dispositif, les fibres sont ensuite extrudées à travers un petit trou sur le côté de la filière. Cela provoque l’accumulation des fibres dans un nuage autour de l’appareil.

La deuxième innovation de Chang et al. était d’inclure un fort courant d’air au sommet de la filière qui pourrait aligner les fibres pour ressembler aux stries des muscles. À partir de là, Chang et al. pourrait collecter les fibres sous un angle, créant finalement les motifs hélicoïdaux du muscle cardiaque.

En utilisant cette méthode, Chang et al. a pu créer des images 3D qui ressemblaient à des ventricules cardiaques humains. Lorsque les cadres ont été ensemencés avec des cellules cardiaques humaines, les tissus résultants ont conservé le motif hélicoïdal du cadre.

Étonnamment, après 3 à 5 jours de croissance de cellules cardiaques sur les cadres 3D, Chang et al. ont observé des contractions spontanées qui ressemblaient à l’activité naturelle du cœur humain. Cela a indiqué que les ventricules modèles de Chang et al. pourraient être utilisés pour étudier comment la structuration musculaire affecte la fonction cardiaque.

Pour étudier cette question, Chang et al. créé des ventricules modèles avec des cellules alignées en hélice ainsi que des ventricules avec des cellules anormales alignées sur la circonférence.

Les chercheurs ont ensuite suspendu les deux ventricules modèles dans un liquide contenant des billes fluorescentes. En suivant le déplacement des billes, Chang et al. pourrait déterminer combien ont été pompés à travers les ventricules à la fois. Cette stratégie a permis aux chercheurs de calculer le volume global de liquide que les ventricules modèles pouvaient pomper.

Après avoir testé à la fois le ventricule à motif hélicoïdal et le ventricule à motif anormal, Chang et al. ont constaté que le ventricule à motif hélicoïdal était capable de pomper des volumes de liquide significativement plus élevés. Cela a démontré qu’un alignement anormal des cellules cardiaques diminue en fait la capacité du cœur à fonctionner.

Enfin, non seulement Chang et al. capables de créer des modèles de ventricules cardiaques capables de se contracter, mais en utilisant leur méthode innovante de filature de fibres, les chercheurs ont pu recréer les quatre cavités du cœur. Ces chambres individuelles ont ensuite été assemblées pour finalement créer un modèle grandeur nature du cœur humain.

Dans l’ensemble, cette étude représente un progrès significatif dans notre capacité à créer un cœur artificiel entièrement fonctionnel. Alors que davantage de travail doit être fait pour étendre les ventricules modèles fonctionnels dans des modèles cardiaques à grande échelle, cette étude démontre une réelle promesse pour l’utilisation de techniques innovantes de filature de fibres pour la formation complexe d’organes entiers.