Les cellules musculaires vasculaires lisses sont la clé des vaisseaux sanguins fonctionnels

Bien que les vaisseaux autologues comme la veine saphène soient la norme d'or pour la chirurgie de contournement, de nombreux patients ne disposent pas de tissus donneurs appropriés en raison de la récolte, de la maladie ou des limitations anatomiques antérieures. Les greffes synthétiques faites à partir de Dacron ou d'ePTFE fonctionnent bien pour les artères de grand diamètre mais échouent dans les applications de petits diamètres (moins de 6 mm) en raison de la thrombose et de l'hyperplasie intime. Les vaisseaux sanguins à l'aide de tissus (VET) offrent une alternative convaincante, combinant des échafaudages biodégradables avec des cellules vivantes pour créer des constructions qui peuvent se développer, se remodeler et s'intégrer à l'hôte.

Qu'est-ce que les cellules musculaires vasculaires lisses?

Les cellules musculaires VSMC sont hautement spécialisées et non-triées qui résident dans le milieu tunique des artères et des veines. Dans les vaisseaux indigènes, elles existent dans un phénotype quiescent et contractile caractérisé par des protéines contractiles abondantes telles que l'actine musculaire α-smooth (α-SMA), la chaîne lourde de myosine lisse (SM-MHC) et la calponine. Ces cellules réagissent aux forces hémodynamiques et aux signaux neurohumoraux, se sous-traitent et se détendent pour réguler le diamètre du vaisseau, la pression artérielle et le flux sanguin régional. Cependant, les cellules VSMC ne sont pas différenciées en phase terminale; elles conservent une plasticité phénotypique remarquable. En réponse aux blessures, aux facteurs de croissance ou aux changements de la matrice extracellulaire (ECM), elles peuvent passer à un phénotype synthétique ou proliferatif, dérégler les marqueurs contractiles et améliorer la production, les métalloprotéases matricielles et les protéines promigratoires.

Au-delà de la contractilité et de la synthèse ECM, les VSMC servent également une fonction de barrière critique. Ils aident à réguler le passage des macromolécules et des cellules à travers la paroi du vaisseau, contribuent à la production de fibres élastiques qui assurent le recul et interagissent avec les cellules endothéliales par la signalisation paracrine pour maintenir l'homéostasie vasculaire.

Le rôle critique des CVM dans les vaisseaux sanguins de génie

Dans un vaisseau sanguin à l'aide de tissus, les VSMC ne sont pas seulement des cellules de remplissage. Ils sont les architectes des propriétés mécaniques et biologiques du mur du vaisseau. Leurs rôles peuvent être divisés en plusieurs fonctions interdépendantes.

Corrélation et vasoréactivité

Un avantage majeur des VEBV vivants sur les greffes synthétiques est leur capacité à réguler activement le flux sanguin. Lorsqu'ils sont correctement différenciés, les VSMC dans la paroi artificielle peuvent se contracter en réponse à des agonistes tels que l'endothéline-1, l'angiotensine II et le chlorure de potassium, et se détendre en réponse à l'oxyde nitrique ou à la prostacycline. Cette vasoréactivité aide à égaler la perfusion à la demande des tissus et amortit la pression de pouls, réduisant ainsi le risque de dommages aux organes en aval.

Soutien structurel et production de MCE

La résistance mécanique d'un vaisseau sanguin provient principalement de l'ECM sécrétée par les VSMC. Les collagènes de type I et III fournissent une résistance à la traction, tandis que l'élastine donne au vaisseau son recul élastique. Dans les constructions conçues, les VSMC sont ensemencés sur un échafaudage, souvent un polymère biodégradable comme la polycaprolactone (PCL), l'acide polyglycolique (PGA), ou une matrice décellulisée, puis cultivés dans des conditions dynamiques.

Guérison, intégration et remodelage

Les cellules immunitaires dérivées de l'hôte s'infiltrent dans la paroi et les cellules progéniteurs en circulation peuvent engranger. Les MVMC dans le bâtiment peuvent proliférer et migrer pour repeupler les zones de perte cellulaire, et elles produisent une matrice pour réparer les micro-acariens. Au fil du temps, les vaisseaux de génie remodelent pour ressembler à une artère indigène, les MVMC alignant circonférentiellement et exprimant des marqueurs contractiles matures. Ce processus de remodelage est essentiel pour la patierie à long terme et est l'un des arguments les plus convaincants pour utiliser des cellules vivantes plutôt qu'un échafaudage acellulaire.

Inhibition de la thrombose et de l'hyperplasie intimale

Une couche fonctionnelle de VSMC contribue également aux propriétés antithrombotiques de la paroi du vaisseau. Les VSMC contractiles produisent une thrombomoduline et un inhibiteur de la voie des facteurs tissulaires, et ils maintiennent une surface non thrombogène lorsque la couche endothéliale est intacte. Lorsque l'endothélium est endommagé ou absent — commun aux sites anatomiques — les VSMC sous-jacents peuvent aider à limiter l'activation plaquettaire et la formation de thrombus. De plus, les VSMC qui restent dans un phénotype quiescent sont moins susceptibles de contribuer à l'hyperplasie néo-intimale, la prolifération anormale des cellules musculaires lisses qui conduit à l'échec du greffon.

Sources des CVMV pour l'ingénierie des tissus

Le choix de la source de CVMS affecte de façon considérable la performance de la construction finale. Chaque source a des avantages et des limites qui doivent être pesés par rapport à la cible clinique.

VSMC artériels primaires

La source la plus simple est les VSMC primaires isolées des artères des donneurs (p. ex., des restes d'artère thoracique interne ou d'une veine saphène propre à un patient). Ces cellules sont déjà engagées dans la lignée musculaire lisse et peuvent être étendues en culture. Cependant, elles ont une durée de vie répliquée finie et peuvent subir une dérive phénotypique vers l'état synthétique pendant l'expansion.

Cellules souches-dérivées VSMC

Les cellules souches pluripotentes (iPSC ou ESC) peuvent être dirigées vers un sort musculaire lisse en utilisant des protocoles impliquant des facteurs de croissance tels que le PFDG-BB, le TGF-β1 et l'activine A. Les cellules souches semblables à des VSMC qui en résultent expriment des marqueurs contractiles et peuvent se contracter in vitro. Les cellules souches mésenchymiques (MSC) dérivées de moelle osseuse, de tissu adipeux ou de cordon ombilical se différencient également en cellules musculaires lisses dans des conditions appropriées et présentent l'avantage de propriétés immunomodulatrices.

Induits par reprogrammation directe

Une approche émergente est la conversion directe des fibroblastes ou d'autres cellules somatiques en VSMC en utilisant des facteurs de transcription spécifiques à la lignée tels que le Myocarde (myocardine) et le SRF. Cette méthode évite le stade pluripotent et peut produire une population plus homogène.

Stratégies de conception et de culture de l'échafaudage

Pour exploiter tout le potentiel des CVM, l'échafaudage doit fournir un support mécanique approprié, des repères biochimiques et un taux de dégradation qui correspond au dépôt de MEC. Trois grandes catégories d'échafaudages sont utilisées.

Échafaudages naturels

Les CMV intégrés dans ces gels peuvent les remodeler, mais la force mécanique initiale est faible. Fibrin a été utilisé avec succès dans plusieurs modèles TEBV, y compris les feuilles de cuves -auto-assemblées -, où les CMV sont cultivées dans un gel de fibrine qu'ils remplacent progressivement par ECM. Le processus prend des semaines et nécessite un bioréacteur pour appliquer un étirement cyclique, ce qui augmente la synthèse de l'élastine et du collagène.

Polymères synthétiques biodégradables

Les polymères tels que PCL, PGA, acide polylactique (PLA) et poly(acide coglycolique lactique) (PLGA) peuvent être électrospun dans des mailles nanofibres qui imitent l'architecture de l'ECM indigène. Ces échafaudages fournissent une force mécanique immédiate et peuvent être adaptés pour se dégrader pendant des semaines à des mois. Les VSMC ensemencés sur ces échafaudages fixent, prolifèrent et déposent l'ECM. Un défi clé est d'obtenir une distribution cellulaire uniforme sur toute l'épaisseur de la paroi, en particulier sur les longueurs des vaisseaux cliniquement pertinentes (5-20 cm).

Matrices décellulisées

Après avoir enlevé les antigènes cellulaires, ces échafaudages peuvent être recellulés avec des cellules endothéliales (VSMC) pour produire un vaisseau -Hybrid. Le vaisseau récellalisé présente souvent d'excellentes propriétés mécaniques et une vasoractivité, mais le processus de décellalisation peut endommager les composants de l'ECM, et il est difficile de retirer complètement les épitopes immunogènes de sources xénogéniques.

Conditionnement mécanique en Bioréacteurs

Les bioréacteurs appliquent le débit pulsatile et le stretch circonférentiel cyclique, qui imite l'environnement hémodynamique d'une artère indigène. Les forces mécaniques activent les voies de signalisation (p. ex. RhoA/ROCK, mécanotransduction à médiation par intégration) qui favorisent le phénotype VSMC contractile et stimulent l'alignement ECM et le couplage croisé. Les protocoles typiques impliquent une perfusion à faible débit pour la première semaine afin de permettre l'attachement cellulaire, suivie d'un débit et d'une pression croissants sur 4 à 8 semaines.

Défis actuels dans les navires de génie basés sur le VSMC

Malgré des progrès importants, plusieurs obstacles empêchent l'utilisation clinique généralisée des VET.

Stabilité du phénotype

En culture statique, les CVMS changent rapidement en état synthétique et produisent une matrice excessive qui peut ociller le lumen (hyperplasie néo-intimale). Une fois implanté, le vaisseau est exposé à un milieu inflammatoire complexe qui peut entraîner davantage de changement de phénotype. Les stratégies de stabilisation du phénotype contractile comprennent l'utilisation de milieux chimiquement définis (faible sérum, ajout d'héparine ou de TGF-β), le préconditionnement mécanique et la co-culture avec des cellules endothéliales, qui libèrent l'oxyde nitrique qui aide à maintenir les CVMS qui sont quiescents.

Réponse immunitaire

Même les CVM autologues peuvent provoquer une inflammation s'ils sont modifiés (par exemple, par l'édition de gènes) ou si le matériel d'échafaudage est immunogène. Les échafaudages décellulés évitent les antigènes associés aux cellules mais ne possèdent pas le composant vivant des CVM. Certains groupes explorent des CVMG universels conçus pour exprimer des molécules d'évacuation immunitaire telles que HLA-E ou PD-L1, mais ce travail en est aux premiers stades.

Diffusion des nutriments et survie cellulaire

Dans les vaisseaux à parois épaisses (plus de 200 à 300 μm), l'oxygène et les nutriments ne peuvent atteindre les VSMC intérieurs par diffusion seule. Sans microvasculature fonctionnelle, les cellules au centre de la paroi peuvent mourir pendant la culture ou après l'implantation. Les stratégies pour surmonter cela comprennent la co-culturation avec des cellules endothéliales qui forment des réseaux capillaires, utilisant des échafaudages générateurs d'oxygène, ou la création d'un échafaudage poreux qui permet une vascularisation rapide de l'hôte.

Échelle et fabrication

La production d'un TEBV conforme aux normes réglementaires exige un procédé de fabrication reproductible et rentable. Les méthodes actuelles impliquent souvent des semaines d'expansion cellulaire et de culture du bioréacteur, avec des étapes manuelles qui sont à forte intensité de main-d'oeuvre et sujettes à la variabilité.

Orientations futures et innovations

Plusieurs technologies émergentes promettent de relever les défis décrits ci-dessus.

Éditer le gène pour le contrôle du phénotype

Les outils basés sur le CRISPR peuvent être utilisés pour concevoir des VSMC résistants au changement phénotypique ou qui surexpressent les protéines contractiles. Par exemple, frapper dans un transgène de myocarde actif par constitution ou supprimer KLF4 (un facteur de transcription qui stimule le phénotype synthétique) pourrait verrouiller les VSMC dans un état contractile. De même, l'édition de gènes peut produire des cellules qui évitent la reconnaissance immunitaire ou qui expriment des facteurs pro-angiogéniques pour promouvoir l'intégration de l'hôte.

Bioimpression 3D

La bioimpression permet un contrôle spatial précis de la distribution des cellules, de la composition des échafaudages et même de l'orientation des fibres imprimées. Les imprimantes à jet d'encre ou à extrusion multiaxis peuvent déposer des couches d'hydrogels chargés de VSMC, de coquilles de polymères et de cellules endothéliales pour construire un récipient avec une géométrie définie.

Organoïdes et vaisseaux auto-assemblés

Une alternative aux approches basées sur l'échafaudage est de permettre aux VSMC de s'auto-organiser en une structure de vaisseau. En cultivant les VSMC sur un mandarin tubulaire dans un milieu défini, certains groupes ont produit des vaisseaux acellulaires assez robustes pour l'implantation après la décellalisation. D'autres ont créé des organoides musculaires -smooths qui présentent une activité contractile spontanée et peuvent être utilisés pour étudier des maladies vasculaires ou des réponses à des tests de médicaments.

Traduction clinique et essais en cours

Plusieurs plates-formes TEBV ont été mises en test clinique. La plus avancée est la greffe de -Lifeline-Graft (CytoGraft, maintenant partie de Humacyte), qui utilise des VSMC allogéniques semés sur un échafaud biodégradable dans un bioréacteur, puis décellalisé avant l'implantation. Cette greffe acellulaire contient une riche ECM produite par les VSMC mais évite l'immunogénicité des cellules vivantes.

Pour plus de détails, voir cet examen de la régulation du phénotype du VSMC et cet avis sur la nature Aperçu de la cardiologie des greffes vasculaires à moteur tissulaire. Des détails supplémentaires sur les matériaux d'échafaudage peuvent être trouvés dans cet article sur les biomatériaux.

Conclusion

Les cellules musculaires vasculaires lisses sont bien plus qu'un structurant dans les vaisseaux sanguins. Elles fournissent la fonction contractile qui rend une greffe sensible aux exigences hémodynamiques, construisent et maintiennent la matrice extracellulaire qui donne au vaisseau son intégrité mécanique, et participent à la guérison et au remodelage après l'implantation. La traduction réussie des VEBV à la clinique dépend de notre capacité à fournir de façon fiable les VSMC, à maintenir leur phénotype désiré tout au long de la culture et de la post-implantation, et à concevoir des échafaudages qui soutiennent leur fonction.