Introduction à l'ingénierie tissulaire vasculaire pour la réparation des lésions de la moelle épinière

Bien que les progrès dans les soins actifs et la réadaptation aient amélioré la survie et la qualité de vie, aucune thérapie régénérative n'a encore rétabli la fonction perdue chez les patients humains. Un aspect critique mais souvent négligé de la pathologie de l'ICS est la perturbation de la microvasculature de la moelle épinière. La moelle épinière blessée souffre d'ischémie sévère, entraînant la mort des cellules secondaires et une régénération défaillante. L'ingénierie des tissus vasculaires (ETV) est apparue comme une approche puissante pour rétablir l'approvisionnement en sang fonctionnel au site de la lésion, créant ainsi un environnement permissif pour la réparation neuronale.

Pathophysiologie des lésions de la moelle épinière et nécessité de la revascularisation

La lésion principale se sépare des axones et des vaisseaux sanguins locaux, provoquant une hémorragie immédiate et une perte de perfusion.En quelques minutes, la phase secondaire commence : les lésions ischémiques déclenchent l'excitotoxicité du glutamate, le stress oxydatif, l'inflammation et l'apoptose. L'environnement hypoxique qui en résulte accélère la nécrose tissulaire et la formation des cavités. Il est important de noter que l'incapacité de rétablir le flux sanguin est un obstacle majeur à la réparation endogène. Sans un réseau vasculaire fonctionnel, les cellules immunitaires infiltrantes ne peuvent pas éliminer les débris et les cellules régénératives ne peuvent survivre ou migrer. Même si des cellules souches neurales ou des échafaudages biomatériaux sont implantés, ils échoueront sans vicalisation adéquate.

Composantes clés de l'ingénierie tissulaire vasculaire

L'ingénierie des tissus vasculaires intègre trois éléments principaux : les échafaudages biomatériaux, les composants cellulaires et les molécules de signalisation. Chacun doit être soigneusement sélectionné et combiné pour construire des vaisseaux sanguins fonctionnels qui s'intègrent à la circulation de l'hôte.

Échafaudages de biomatériaux

Les échafaudages doivent être biocompatibles, biodégradables et avoir des propriétés mécaniques semblables à celles des tissus neuraux. Ils doivent également soutenir l'adhérence, la prolifération et la différenciation des cellules tout en permettant la diffusion des nutriments.Les matériaux courants comprennent les polymères naturels tels que le collagène, la fibrine, l'acide hyaluronique et la matrice extracellulaire décellulisée (MEC), ainsi que les polymères synthétiques tels que l'acide poly(acide lactique-coglycolique) (PLGA) et le poly(acide thermocaprolactone) (PCL). Les échafaudages hybrides qui combinent des composants naturels et synthétiques offrent des taux de dégradation et une bioactivité accrue.

Cellules souches et cellules souches

Les cellules endothéliales (CE) et leurs progéniteurs, les cellules souches endothéliales (CEP), sont les principaux éléments constitutifs de l'organisme. Pour les CPE, les sources autologues comme les CPE dérivées de la moelle osseuse ou les CEC dérivées de cellules souches pluripotentes induites (CEP-iPSC) réduisent le rejet immunitaire. Les cellules souches mésenchymiques (CSM) contribuent également en sécrétant des facteurs angiogènes et en différenciant en cellules périvasculaires qui stabilisent les vaisseaux naissants. Les cellules souches neurales (CSN) et les cellules souches progéniteurs neurales (CPN) sont souvent cultivées en commun pour favoriser la neurogenèse et l'angiogenèse.

Facteurs de croissance et de signalisation des molécules

Les facteurs de croissance angiogènes peuvent stimuler la formation et la maturation des vaisseaux sanguins. Le facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF) est le principal régulateur de l'angiogenèse, favorisant la prolifération, la migration et la formation de tubes de la CE. Cependant, des doses élevées soutenues de VEGF peuvent produire des vaisseaux peu profonds et peu abondants. Les systèmes de distribution contrôlés, tels que les hydrogels liés à l'héparine ou les microsphères à libération lente, permettent une régulation spatiotemporelle de la présentation de VEGF. D'autres facteurs importants comprennent le facteur de croissance de fibroblaste-2 (FGF-2), le facteur de croissance de plaquettes-BB (PDGF-BB), l'angiopoietine-1 (Ang-1) et le facteur de croissance de cellules stromiques-1 (SDF-1).

Stratégies d'intégration des réseaux vasculaires dans le SCI

Deux stratégies principales sont utilisées pour vasculariser les lésions de l'ICS : la pré-vascularisation des échafaudages avant l'implantation et la vascularisation in situ (promouvoir l'incroissance des vaisseaux hôtes).

Échafaudages pré-vascularisés

Dans cette approche, les échafaudages sont ensemencés avec des CE et des cellules de soutien (p. ex., des péricytes ou des MSC) et cultivés dans des conditions contrôlées pour former des réseaux capillaires primitifs avant l'implantation. Ces réseaux préformés peuvent anastomoser rapidement avec les vaisseaux hôtes lors de la greffe, réduisant ainsi le temps de perfusion. La prévascularisation peut être réalisée à l'aide de bioréacteurs qui fournissent un flux dynamique et une oxygénation, mimant les conditions physiologiques.

Vascularisation in situ

Cette stratégie repose sur la réponse angiogène propre de l'hôte et sur l'apport de molécules pro-angiogéniques pour stimuler l'incroissance des vaisseaux à partir des tissus sains environnants. Les biomatériaux peuvent être conçus pour présenter les facteurs de croissance de manière contrôlée spatialement, créant des gradients qui guident la germination des vaisseaux. Par exemple, on a montré que les échafaudages hydrogel contenant des microsphères de libération de VEGF attirent les EC hôtes au centre de la lésion en deux semaines.

Combiner la vasculaire et la réparation neuronale

L'objectif ultime est de rétablir simultanément la fonction vasculaire et la fonction neurale. Des échafaudages composites contenant des canaux pour le guidage axonal aux côtés des conduits vasculaires sont en cours de développement. Des échafaudages à deux canaux – un pour les vaisseaux sanguins et un pour les nerfs – mimentent la structure organisationnelle de la moelle épinière naturelle. La colivrance des cellules NSC ou Schwann avec les cellules EC améliore encore la régénération.

Preuves précliniques et progrès récents

Un nombre croissant de données précliniques confirme le potentiel de traduction de l'ETV pour les ISC. Voici les principales études animales qui ont avancé sur le terrain :

  • Le traitement par VEGF dans les modèles de contusion des rongeurs:[ La livraison contrôlée de VEGF par des hydrogels de fibrine a amélioré la densité des vaisseaux sanguins et réduit la cavitation dans un modèle de contusion des rats. Les résultats fonctionnels, mesurés par l'échelle locomoteur Basso, Beattie et Bresnahan (BBB), ont été nettement améliorés par rapport aux contrôles (source: Étude PubMed sur l'hydrogel VEGF dans SCI[.
  • Réseaux vasculaires dérivés de cellules souches: Des cellules endothéliales dérivées de l'iPSC humaines semées dans la moelle épinière décellulisée ECM ont formé des microfesses fonctionnelles après implantation dans des souris immunodéficieuses. Les vaisseaux intégrés à la vascularisation de l'hôte et sont demeurés brevetés pendant 8 semaines (source: Communications sur la nature.
  • Une approche combinée de cellules échafaudées : Un échafaudage multicanaux de collagène ensemencé de cellules souches neurales et de cellules endothéliales a été testé dans un modèle d'ICS canin. Le groupe de traitement a montré des axones significativement plus myélinisés et une amélioration de la fonction de limbe postérieur après 12 semaines (source : Étude PubMed sur l'échafaudage de l'ICS canin.
  • Injection hydrogel pré-vascularisée: Des microgels injectables pré-vascularisés contenant des HUVEC et des MSC ont été livrés à des lésions aiguës de l'ICS chez le rat. Les microgels ont rapidement formé des anastomoses et réduit la taille de la lésion de 40% par rapport aux témoins (source: ]Étude PubMed sur les microgels injectables pour l'ICS.

Ces études démontrent des avantages constants d'améliorer la vascularisation, mais elles mettent également en évidence la variabilité des résultats selon le modèle de blessure, la source cellulaire et la conception de l'échafaudage. Notamment, des modèles à gros animaux (p. ex. porcins, primates non humains) sont maintenant utilisés pour combler l'écart par rapport aux essais cliniques.

Défis et limites

Malgré les données précliniques encourageantes, plusieurs obstacles doivent être surmontés pour traduire les stratégies d'ETV en traitements cliniques pour l'ICS :

  1. Stabilisation et maturation du navire:[ Les nouveaux vaisseaux formés deviennent souvent des fuites ou des régressions au fil du temps en raison d'une couverture péricytaire insuffisante.
  2. Restauration de la barrière du cordon bipaire (CBBS) : Bien que la revascularisation soit essentielle, le BSCB doit aussi être rétabli pour prévenir l'oedème et la neuroinflammation.
  3. Intégration de l'échafaudage avec le tissu hôte:[ Les échafaudages étrangers peuvent provoquer une inflammation chronique, des cicatrices gliales ou une inadéquation mécanique. La biodégradation doit être chronométrée pour correspondre à la maturation du vaisseau.
  4. Survie et greffe de cellules :[ Le microenvironnement hostile du cordon blessé – hypoxie, inflammation, stress oxydatif – peut tuer les cellules transplantées avant qu'elles ne forment des vaisseaux.
  5. Les obstacles à grande échelle à la production et à la réglementation :[ Les exigences de fabrication des cellules de qualité clinique, des échafaudages et des systèmes d'administration des facteurs de croissance sont complexes et coûteuses.
  6. Hétérogénéité du SCI:[ Les blessures varient considérablement en fonction de l'emplacement, de la gravité et de la chronique.Une seule approche d'ETV peut ne pas convenir à tous les patients; des thérapies personnalisées ou combinatoires peuvent être nécessaires.

Pour y remédier, il faudra collaborer interdisciplinairement entre les spécialistes des matériaux, les bioingénieurs, les neuroscientifiques et les cliniciens. Pour un aperçu complet des défis, consultez la page de recherche du SCI [ de l'Institut national des troubles neurologiques et des accidents cérébrovasculaires (INNDS).

Orientations futures et perspectives cliniques

Plusieurs orientations prometteuses sont en voie de faire progresser l'ETV pour SCI :

  • Les hydrogels qui réagissent aux signaux enzymatiques du microenvironnement de blessure (p. ex., les metalloprotéinases matricielles) ne peuvent libérer des facteurs de croissance que là et au besoin, ce qui réduit les effets hors-cible et améliore la spécificité du vaisseau.
  • Les ECs dérivés de l'iPSC, qui surexpriment des facteurs pro-survivants (p. ex. Akt, Bcl-2) ou sécrétent des neurotrophines, pourraient simultanément améliorer la vascularisation et la neuroprotection.
  • La bioimpression 3D de la moelle vasculaire entière construit:[ L'impression de segments de moelle épinière spécifiques au patient avec des canaux vasculaires intégrés est un objectif ambitieux mais réalisable.
  • Les champs électriques peuvent guider la croissance axonale et l'alignement du vaisseau. Les échafaudages conducteurs qui fournissent une stimulation électrique de bas niveau peuvent améliorer l'intégration.
  • Initiation à l'essai clinique: Le premier essai sur l'homme d'un hydrogel de libération du VEGF pour le SCI est prévu dans les cinq prochaines années, selon les directives récentes de la FDA pour les produits de médecine régénérative.

Les progrès réalisés dans la compréhension du crosstalk moléculaire entre les cellules souches vasculantes et neurales permettront également d'affiner les cibles thérapeutiques. Le concept de « niche neurovasculaire » – où les cellules souches neurales résident près des vaisseaux sanguins – est directement applicable à la réparation des ISC.

Conclusion

L'ingénierie tissulaire vasculaire offre une approche transformatrice de la réparation des lésions de la moelle épinière en abordant directement le problème fondamental de l'ischémie et de la mauvaise perfusion. Grâce à la conception d'échafaudages biomimétiques, à l'inclusion de cellules endothéliales et souches appropriées et à la livraison de facteurs de croissance contrôlés par spatiotemporelle, les chercheurs développent des technologies qui restaurent la microvasculature et créent un environnement régénératif. Les études précliniques sur les rongeurs et les grands animaux ont démontré une amélioration de la densité vasculaire, une régénération neuronale accrue et une récupération fonctionnelle mesurable.