La Fondation de l'ingénierie des tissus vasculaires

Bien que les greffes autologues (telles que les veines saphènes ou les artères mammaires internes) soient la principale cause de morbidité et de mortalité dans le monde, de nombreux patients manquent de vaisseaux donneurs appropriés en raison de contraintes vasculaires, de maladies ou d'anatomie antérieures.Cette lacune a motivé l'évolution de l'ingénierie des tissus vasculaires (ETV), un domaine axé sur la construction de vaisseaux sanguins artificiels qui peuvent restaurer la patente et la fonction. Au cœur de l'ETV est la conception d'échafaudages biodégradables ou non dégradables qui servent de modèles pour la formation de nouveaux tissus. Un paramètre critique mais souvent sous-estimé dans la conception de l'échafaudage est comment l'alignement endo-thélial des cellules est guidé par les caractéristiques physiques et biochimiques de l'échafaudage.

Biologie endothéliale et phénotype de réaction au flux

La barrière endothéliale et ses fonctions

Les cellules endothéliales (EC) forment une monocouche qui recouvre l'ensemble du système circulatoire. Elles régulent la tonalité vasculaire, la fonction de barrière, l'hémostase et l'inflammation. Dans les vaisseaux sains, les EC sont allongés et alignés sur la direction du flux sanguin. Cet alignement n'est pas simplement passif; il s'agit d'un processus actif, dépendant de l'énergie, conduit par des forces mécaniques. Lorsque les EC sont correctement alignés, ils produisent des niveaux élevés d'oxyde nitrique (NO), suppriment l'expression de la molécule d'adhérence pro-inflammatoire et maintiennent une surface non thrombogène.

Piste de la mécanotransduction du stress

La contrainte de cisaillement des fluides (FSS) est la force de frottement exercée par le flux sanguin sur la surface de la CE. Les CE sensent la FSS par plusieurs mécanosenseurs, y compris les protéines de cisaillement primaire, glycocalyx, intégrines et jonction cellulaire (VE-cadherine, PECAM-1). Ces capteurs activent des cascades en aval telles que PI3K-Akt, ERK1/2 et Rho GTPases, réorganisant finalement le cytosquelette d'actine et les adhérences focales pour aligner la cellule parallèle au flux. Le degré d'alignement est dose-dépendant : une contrainte de cisaillement plus élevée (10-20 dyne/cm2) produit un alignement plus robuste que le cisaillement bas (1-4 dyne/cm2). Fait important, la topographie de la scaffold et la rigidité peuvent soit améliorer ou inhiber cette mécanotransduction. Par exemple, un échafold qui est trop rigide pourrait empêcher la cellule de déformer de façon appropriée, émoussant la réponse d'alignement.

Cues topographiques : Guide de contact en trois dimensions

Profil micro- et nanométrique

Les cellules sont exquisement sensibles aux caractéristiques physiques de leur substrat, phénomène connu comme guide de contact. Dans les échafaudages vasculaires, les signaux topographiques peuvent être transmis par des fibres, des rainures, des crêtes ou des pores. Les nanofibres alignées, en particulier, imitent l'architecture anisotrope de la matrice extracellulaire (ECM) indigène de la paroi vasculaire (le milieu de tunica et l'aventitia). Des études ont montré que ECs cultivées sur des nanofibres alignées s'allongent et s'orientent parallèlement à la direction de la fibre, même en l'absence de flux. Ce préalignement peut servir d'étape « d'amorce ».

Les fibres dont le diamètre est compris entre 200 nm et 1 μm, espacées de quelques microns, fournissent des repères optimaux. Si les fibres sont trop épaisses ou très espacées, les cellules peuvent se propager sur plusieurs fibres et perdre de l'information directionnelle. Inversement, les fibres trop denses peuvent limiter la migration cellulaire et la diffusion des nutriments.

Le rôle de la dureté de surface et de la porosité

Au-delà de l'alignement des fibres, la rugosité de surface à l'échelle du nanomètre influence également l'alignement et l'adhérence de la CE. La rugosité modérée (Ra - - 10-50 nm) favorise l'agrégation de l'intégrine et la formation d'adhérence focale, ce qui facilite à son tour la production et l'alignement de tensions cytosquelettiques. Cependant, une rugosité excessive peut activer des voies inflammatoires ou causer des dommages aux membranes cellulaires.

Stiffness mécanique et élasticité du substrat

La rigidité de l'échafaudage (module élastique) est un puissant régulateur du comportement de l'EC. Les parois artérielles autochtones présentent une rigidité d'environ 0,5-5 MPa (selon l'âge et l'état de la maladie), tandis que les matériaux de greffe synthétiques comme le polytétrafluoroéthylène expansé (ePTFE) sont beaucoup plus rigides (>100 MPa). Les échafaudages qui correspondent étroitement à la rigidité des tissus indigènes favorisent un phénotype endothélial quiescent et aligné. Sur les substrats rigides, les EC ont tendance à se propager davantage, à former des adhérences focales plus grandes et à présenter un réseau d'actine moins organisé. Ils montrent également des marqueurs inflammatoires régulés tels que ICAM-1 et VCAM-1. Inversement, les substrats conformes (dans la gamme kPa) favorisent une morphologie plus arrondie et moins alignée, ce qui n'est pas idéal pour l'alignement du flux non plus.

La gamme optimale pour un échafaudage vasculaire est une rigidité qui permet une déposition de matrice provisoire et une contraction cellulaire tout en fournissant une intégrité structurale suffisante pour résister à la pression d'éclatement. Ceci est souvent obtenu par des conceptions composites: une couche externe rigide (p. ex. polycaprolactone, PCL) pour la résistance mécanique, et une couche intérieure douce (p. ex. gélatine, collagène) pour la compatibilité EC.

Cues biochimiques : Orientation de l'alignement par la reconnaissance moléculaire

La topographie et la rigidité n'agissent pas isolément; elles sont interprétées par les cellules de concert avec des signaux biochimiques. L'échafaudage vasculaire idéal présente un milieu complexe de protéines ECM (collagène de type I et IV, fibronectine, laminine), des facteurs de croissance (VEGF, FGF, PFG) et des peptides d'adhérence (RGD, YIGSR). Ces molécules peuvent être immobilisées sur la surface de l'échafaudage par liaison covalente, adsorption ou encapsulation dans les hydrogels. Il est important de noter que la présentation spatiale de ces repères est importante.

La biofonctionnalisation aide également à combattre l'un des principaux modes d'échec des greffes vasculaires de petits diamètres : l'hyperplasie intime. Cette réponse pathologique se caractérise par une prolifération excessive de cellules musculaires lisses (CSM) et par le dépôt d'ECM. En favorisant sélectivement l'adhésion et l'alignement de la CE tout en décourageant la surcroissance de la CSM (par exemple, par des revêtements antiprolifératifs ou des peptides d'adhérence spécifiques à la CE), les échafaudages peuvent maintenir un équilibre sain et empêcher le rétrécissement de la greffe.

Techniques de fabrication d'échafaudages pour l'alignement endothélial contrôlé

Électrospinnage des nanofibres alignées

En recueillant des fibres spun sur un mandrin rotatif à grande vitesse (vitesse rotationnelle > 1000 tr/min), les fibres peuvent être orientées de façon circonférentielle, en imitant l'alignement des CMS et des CE dans la paroi du navire. Les paramètres de procédé (tension, débit, concentration de solution, distance de collecteur) permettent de régler finement le diamètre des fibres et le degré d'alignement. Les matériaux couramment utilisés comprennent les polymères synthétiques (PCL, PLGA, polyuréthane) et les polymères naturels (collagène, élastine, fibron de soie).

Les limites de l'électrospinning comprennent un contrôle limité sur les dépôts de fibres dans trois dimensions (les éraflures sont généralement des feuilles ou des tubes minces), la difficulté à créer des architectures interstitielles complexes et le potentiel de solvants toxiques résiduels.

Microfabrication et lithographie douce

Pour un contrôle précis des patrons topographiques (grooves, piliers, canaux), les techniques de microfabrication empruntées à l'industrie des semi-conducteurs ont été adaptées pour la production d'échafaudages. La photolithographie et le moulage en réplique permettent la création de substrats avec des caractéristiques allant de 500 nm à 100 μm. Ces méthodes sont idéales pour étudier les mécanismes d'alignement EC dans un environnement hautement contrôlé. Par exemple, des rainures de 2 μm de largeur et de 1 μm de profondeur ont été montrées pour aligner CE plus efficacement que des rainures plus faibles.

Bien que la microfabrication offre une précision inégalée, elle se limite généralement à des surfaces bidimensionnelles ou à de simples structures tridimensionnelles. L'approche est plus utile pour créer des modèles in vitro de barrière vasculaire (p. ex., «vessel-on-a-chip») plutôt que des greffons implantables. Cependant, des techniques telles que l'impression 3D et la polymérisation à deux photons commencent à combler cette lacune, permettant la fabrication d'échafauds à la fois à l'alignement micro-échelle et à la forme anatomique macro-échelle.

Matrices décellulisées et échafaudages naturels

Ces échafaudages décellulisés conservent l'architecture complexe et la composition en ECM des vaisseaux sanguins naturels, y compris le collagène aligné et les fibres d'élastine qui fournissent d'excellents indices d'alignement pour les EC réensemencement. Les échafaudages décellulisés ont l'avantage de une conformité mécanique presque parfaite et une membrane vasculaire préexistante du sous-sol. Toutefois, ils présentent des risques d'immunogénicité, d'élimination cellulaire incomplète et de transmission potentielle de maladies. De plus, ils sont limités par la disponibilité des donneurs et ne peuvent être facilement étalonnés pour la production en masse. Malgré ces inconvénients, les greffes de petits diamètres décellulsielles (p. ex., à partir de veines ombilicales humaines ou d'artères porcines) ont donné des résultats prometteurs lors des premiers essais cliniques, surtout lorsqu'elles sont combinées avec des semis autologues endothéliaux.

Évaluation des échafaudages alignés : approches in vitro et in Vivo

L'évaluation de la qualité de l'alignement endothélial sur un échafaudage nécessite des méthodes qualitatives et quantitatives. La microscopie fluorescente in vitro des filaments d'actine (tachement par la phalloidine) ou des jonctions VE-cadherine peut révéler l'orientation des cellules. Le logiciel d'analyse d'image peut calculer un indice d'alignement (p. ex., le pourcentage de cellules orientées dans ±15° de la direction préférée).

Les études in vivo portent généralement sur l'implantation d'échafaudages comme greffes d'interposition dans des modèles animaux (rat, lapin, mouton ou porc). La patency est évaluée par échographie Doppler ou angiographie à plusieurs moments. Après explantation, l'analyse histologique (hématoxyline et éosine, bleu alcien) et l'immunohistochimie (CD31, vWF) sont utilisées pour évaluer le degré d'endothélialisation et d'alignement.

En soumettant l'échafaudage à graine cellulaire à un écoulement pulsatile et à une souche cyclique, les EC sont « formés » pour s'aligner de manière appropriée. Les greffons préconditionnés montrent souvent une rétention et un alignement endothéliaux supérieurs après exposition à in vivo hémodynamique. Le défi consiste à étalonner les protocoles bioréacteurs pour usage clinique, en veillant à ce que les greffons soient prêts à être opérés dans un délai cliniquement acceptable (jours à semaines).

Traduction clinique et défis actuels

Malgré des décennies de recherche, seule une poignée de greffes vasculaires à moteur tissulaire (TEVG) ont été utilisées à des fins cliniques.Les exemples les plus réussis sont les greffes à grand diamètre (>6 mm) faites de matériaux synthétiques (Dacron, ePTFE) qui reposent sur l'endothélialisation passive in situ – un processus souvent incomplet et lent.

Les essais cliniques actuels portent sur les greffes décellulisées (p. ex., le vaisseau acellulaire humain de l'Humacyte) ou les greffes synthétiques biodégradables (p. ex., de Xeltis). Ces greffes sont conçues pour être hors du rayon, évitant la nécessité d'ensemencement cellulaire autologue et d'une longue culture. Bien que les résultats soient encourageants (avec des taux de patence de 60 à 80 % à 12 mois pour certaines indications), elles restent en deçà des veines ou artères indigènes.

Orientations futures : Échafaudages éclairés et personnalisés en mécanobiologie

La prochaine génération d'échafaudages vasculaires sera probablement conçue en utilisant une approche de méchanobiologie éclairée[. Cela signifie intégrer des modèles de calcul qui prédisent comment les EC réagiront à la géométrie, à la rigidité et au profil biochimique d'un échafaudage donné. L'apprentissage par machine peut accélérer l'optimisation des paramètres de fabrication (p. ex. angle de fibre, taille des pores, gradient de rigidité) pour obtenir un résultat d'alignement spécifique.

Une autre frontière intéressante est l'utilisation d'échafaudages dynamiques qui peuvent modifier leurs propriétés en réponse à des stimuli externes (pH, température, enzymes). Par exemple, un échafaudage qui devient plus doux ou se dégrade avec le temps peut permettre aux EC de remodeler leur environnement, ce qui pourrait favoriser un alignement plus naturel.

Enfin, la combinaison d'échafaudages alignés avec des sources cellulaires avancées (p. ex. cellules formant des colonies endothéliales (ECFC) ou des ECs dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC-EC)) pourrait surmonter les limites de la récolte autologues EC. Ces cellules peuvent être étendues à de grands nombres et prédisposées en un phénotype sensible au flux.

Conclusion

L'alignement des cellules endothéliales est une pierre angulaire de la conception fonctionnelle des échafaudages vasculaires. Il ne s'agit pas d'un seul événement, mais d'un processus complexe et multifactoriel impliquant la mécanisation de la contrainte de cisaillement, des conseils de contact provenant de la topographie des échafaudages, des réactions mécaniques de la rigidité du substrat et de la reconnaissance moléculaire des surfaces biofonctionnalisées.En ingénierie systématique de ces repères en échafaudages, par électrospinnage, microfabrication ou décellularisation, les chercheurs progressent régulièrement vers la création de vaisseaux sanguins artificiels qui imitent véritablement l'environnement naturel.