Les maladies cardiaques – la principale cause de décès aux États-Unis – sont si mortelles en partie parce que le cœur, contrairement à d’autres organes, ne peut pas se réparer après une blessure. C’est pourquoi l’ingénierie tissulaire, y compris la fabrication en gros d’un cœur humain entier pour la transplantation, est si importante pour l’avenir de la médecine cardiaque.
Pour construire un cœur humain à partir de zéro, les chercheurs doivent reproduire les structures uniques qui composent le cœur. Cela comprend la recréation de géométries hélicoïdales, qui créent un mouvement de torsion lorsque le cœur bat. On a longtemps théorisé que ce mouvement de torsion est essentiel pour pomper le sang à des volumes élevés, mais prouver cela a été difficile, en partie parce que créer des cœurs avec des géométries et des alignements différents a été difficile.
Maintenant, des bio-ingénieurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé le premier modèle biohybride de ventricules humains avec des cellules cardiaques battantes alignées en hélice, et ont montré que l’alignement musculaire augmente en fait considérablement la quantité sang que le ventricule peut pomper à chaque contraction.
Cette avancée a été rendue possible grâce à une nouvelle méthode de fabrication textile additive, le Focused Rotary Jet Spinning (FRJS), qui a permis la fabrication à haut débit de fibres alignées en hélice avec des diamètres allant de plusieurs micromètres à des centaines de nanomètres. Développées au SEAS par le groupe de biophysique de la maladie de Kit Parker, les fibres FRJS dirigent l’alignement cellulaire, permettant la formation de structures d’ingénierie tissulaire contrôlées.
“Ce travail est une avancée majeure pour la biofabrication d’organes et nous rapproche de notre objectif ultime de construire un cœur humain pour la transplantation”, a déclaré Parker, professeur de la famille Tarr de bioingénierie et de physique appliquée à SEAS et auteur principal de l’article.
Ce travail a ses racines dans un mystère vieux de plusieurs siècles. En 1669, le médecin anglais Richard Lower – un homme qui comptait John Locke parmi ses collègues et le roi Charles II parmi ses patients – a noté pour la première fois l’arrangement en spirale des muscles cardiaques dans son ouvrage fondateur Tractatus de Corde.
Au cours des trois siècles suivants, les médecins et les scientifiques ont construit une compréhension plus complète de la structure du cœur, mais le but de ces muscles en spirale est resté extrêmement difficile à étudier.
En 1969, Edward Sallin, ancien directeur du département de biomathématiques de la faculté de médecine de Birmingham de l’Université de l’Alabama, a fait valoir que l’alignement hélicoïdal du cœur est essentiel pour obtenir de grandes fractions d’éjection – le pourcentage de la quantité de sang que le ventricule pompe à chaque contraction.
“Notre objectif était de construire un modèle où nous pourrions tester l’hypothèse de Sallin et étudier l’importance relative de la structure hélicoïdale du cœur”, a déclaré John Zimmerman, boursier postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’article.
Pour tester la théorie de Sallin, les chercheurs de SEAS ont utilisé le système FRJS pour contrôler l’alignement des fibres filées sur lesquelles ils pouvaient développer des cellules cardiaques.
La première étape de FRJS fonctionne comme une machine à barbe à papa – une solution de polymère liquide est chargée dans un réservoir et expulsée à travers une minuscule ouverture par la force centrifuge lorsque l’appareil tourne. Lorsque la solution quitte le réservoir, le solvant s’évapore et les polymères se solidifient pour former des fibres. Ensuite, un flux d’air focalisé contrôle l’orientation de la fibre lors de son dépôt sur un collecteur. L’équipe a découvert qu’en inclinant et en faisant tourner le collecteur, les fibres du flux s’alignaient et se tordaient autour du collecteur pendant qu’il tournait, imitant la structure hélicoïdale des muscles cardiaques.
L’alignement des fibres peut être réglé en modifiant l’angle du collecteur.
“Le cœur humain possède en fait plusieurs couches de muscles alignés en hélice avec différents angles d’alignement”, a déclaré Huibin Chang, stagiaire postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’article. “Avec FRJS, nous pouvons recréer ces structures complexes de manière très précise, en formant des structures de ventricule à une ou même quatre chambres.”
Contrairement à l’impression 3D, qui ralentit à mesure que les caractéristiques deviennent plus petites, FRJS peut rapidement faire tourner des fibres à l’échelle d’un micron – soit environ cinquante fois plus petites qu’un seul cheveu humain. Ceci est important lorsqu’il s’agit de construire un cœur à partir de zéro. Prenez le collagène, par exemple, une protéine de la matrice extracellulaire du cœur, qui mesure également un micron de diamètre. Il faudrait plus de 100 ans pour imprimer en 3D chaque morceau de collagène dans le cœur humain à cette résolution. FRJS peut le faire en une seule journée.
Après rotation, les ventricules ont été ensemencés avec des cardiomyocytes de rat ou des cellules de cardiomyocytes dérivées de cellules souches humaines. En une semaine environ, plusieurs fines couches de tissu battant recouvraient l’échafaudage, les cellules suivant l’alignement des fibres en dessous.
Les ventricules battants imitaient le même mouvement de torsion ou d’essorage présent dans le cœur humain.
Les chercheurs ont comparé la déformation du ventricule, la vitesse de signalisation électrique et la fraction d’éjection entre les ventricules constitués de fibres alignées hélicoïdales et ceux constitués de fibres alignées circonférentiellement. Ils ont constaté que sur tous les fronts, le tissu aligné hélicoïdal surpassait le tissu aligné circonférentiellement.
“Depuis 2003, notre groupe a travaillé pour comprendre les relations structure-fonction du cœur et comment la maladie compromet pathologiquement ces relations”, a déclaré Parker. “Dans ce cas, nous sommes revenus pour aborder une observation jamais testée sur la structure hélicoïdale du cœur. architecture laminaire du cœur Heureusement, le professeur Sallin a publié une prédiction théorique il y a plus d’un demi-siècle et nous avons pu construire une nouvelle plate-forme de fabrication qui nous a permis de tester son hypothèse et de répondre à cette question séculaire.
L’équipe a également démontré que le processus peut être étendu à la taille d’un cœur humain réel et même plus grand, à la taille d’un cœur de petit rorqual (ils n’ont pas ensemencé les plus grands modèles avec des cellules car il faudrait des milliards de cellules cardiomyocytes ).
Outre la biofabrication, l’équipe explore également d’autres applications pour leur plateforme FRJS, telles que les emballages alimentaires.
Référence: Chang H, Liu Q, Zimmerman JF, et al. Recréer la relation structure-fonction hélicoïdale du cœur avec une rotation à jet rotatif focalisé. La science. 2022;377(6602):180-185. est ce que je: 10.1126/science.abl6395
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