Grafts de vaisseaux sanguins bioartificiels : un besoin critique

Les greffes autologues – utilisant les veines ou les artères du patient – sont depuis longtemps la norme d'or pour les chirurgies de contournement et autres interventions vasculaires. Cependant, de nombreux patients ne disposent pas de vaisseaux donneurs appropriés en raison de limitations antérieures de la récolte, de la maladie ou de l'anatomie. Les greffes synthétiques faites à partir de matériaux tels que le polytétrafluoroéthylène expansé (ePTFE) ou Dacron offrent une alternative, mais souffrent d'une faible patierie à long terme, surtout dans les applications de petits diamètres (moins de 6 mm) où la thrombogénicité et l'hyperplasie intime entraînent une défaillance fréquente.

Les greffes de vaisseaux sanguins artificiels constituent une solution transformatrice qui combine des cellules biologiques – cellules endothéliales, cellules musculaires lisses et fibroblastes – avec des matériaux d'échafaudage naturels ou synthétiques pour imiter la structure, la mécanique et la fonction biologique des vaisseaux indigènes. Contrairement aux greffes purement synthétiques, les greffes bioartificiels ont le potentiel de remodeler, de croître et d'intégrer le tissu hôte, de réduire les complications et le besoin de chirurgies de révision.

Cet article explore les principes, les types et les applications des bioréacteurs dans le développement de greffes de vaisseaux sanguins bioartificiels, ainsi que les défis actuels et les orientations futures dans ce domaine qui progresse rapidement.

Le rôle des bioréacteurs dans l'ingénierie des tissus

Les bioréacteurs ne sont pas seulement des contenants pour la culture cellulaire; ils sont des systèmes conçus pour recréer les signaux physiques et chimiques dynamiques présents dans le corps humain.

  • Transport de la nourriture et de l'oxygène:[ Les conditions de culture statiques conduisent souvent à des carottes nécrotiques dans les tissus épais. Les bioréacteurs assurent la perfusion (écoulement continu du milieu) pour assurer une distribution uniforme de l'oxygène et des nutriments et l'élimination des déchets dans tout le greffon en développement.
  • Stimulation mécanique:[ Les vaisseaux sanguins du corps sont constamment exposés à des forces mécaniques: stress cisaillement du flux sanguin, étirement cyclique des ondes de pression et déformation circonférentielle. Les bioréacteurs appliquent ces forces de manière contrôlée pour diriger l'alignement cellulaire, la production de matrice extracellulaire (ECM) et l'organisation tissulaire.
  • pH, température et régulation du gaz: Un contrôle précis des paramètres environnementaux (CO2, O2, pH, température) maintient la viabilité cellulaire et favorise une maturation tissulaire cohérente.
  • Stérilité:[ Les bioréacteurs du système fermé réduisent le risque de contamination pendant les périodes de culture à long terme qui peuvent s'étendre sur des semaines ou des mois.

En mimant l'environnement in vivo, les bioréacteurs accélèrent le développement de greffes qui possèdent la force mécanique, la vasoractivité et la surface non thrombogène essentielle au succès clinique.

Conditionnement méchanobiologique en bioréacteurs

Sans forces appropriées, les vaisseaux de génie manquent de l'intégrité structurale et des propriétés fonctionnelles des artères indigènes. Trois stimuli mécaniques primaires sont appliqués, souvent en combinaison :

Stress de cisaillement

Dans les artères indigènes, les cellules endothéliales sentent la contrainte de cisaillement et réagissent en s'aligneant sur le débit, en augmentant les facteurs antithrombotiques (par exemple, l'oxyde nitrique, la prostacycline) et en downrégulant les molécules d'adhérence qui favorisent l'attachement des leucocytes. Les bioréacteurs à perfusion contrôlée génèrent des niveaux réglables de contrainte de cisaillement laminaire, généralement dans la gamme de 1 à 20 dyn/cm2 pour les applications artérielles. Des études ont montré que le préconditionnement des cellules endothéliales sur les surfaces luminales avec une contrainte physiologique de cisaillement réduit significativement l'adhérence des plaquettes et améliore la patie des greffes dans les modèles animaux.

Flux de pulsatile

Le flux sanguin n'est pas stable; il s'agit de pulsations à chaque battement cardiaque, produisant une pression cyclique et des formes d'onde de débit. Les bioréacteurs de débit pulsatile le reproduisent en incorporant des pompes programmables ou des systèmes à piston qui créent des phases systoliques et diastoliques. La pression cyclique distend la paroi du récipient, en appliquant une souche circonférentielle cyclique aux cellules musculaires lisses et aux fibroblastes. Cette souche stimule la déposition de collagène et d'élastine, aligne les cellules musculaires lisses dans les couches concentriques et augmente la pression d'éclatement et la résistance à la rétention de suture. Par exemple, une étude de 2019 a démontré que les greffes cultivées sous un flux pulsatile pendant 8 semaines ont développé une pression d'éclatement supérieure à 2000 mmHg, comparable aux artères indigènes. Lire l'étude sur PubMed.

Détachement cyclique

Même en l'absence d'écoulement, la paroi du vaisseau subit une déformation cyclique due à l'expansion radiale et à la contraction de l'artère. Les bioréacteurs peuvent appliquer seule une déformation axiale ou circonférentielle – en utilisant des poignets gonflables ou des plaques mécaniques d'étirement – pour étudier les effets spécifiques de la souche sur le comportement cellulaire.

Types de bioréacteurs pour le développement des graisses vasculaires

Plusieurs modèles de bioréacteur ont été développés, chacun présentant des avantages et des limites spécifiques. La sélection dépend du stade de développement du greffon, des types de cellules concernés et des propriétés du vaisseau cible.

Flèches à spinner

La conception la plus simple du bioréacteur est la fiole spinner, dans laquelle une barre de brassage magnétique crée un flux turbulent autour d'un échafaudage suspendu ou d'une greffe. Ces systèmes sont souvent utilisés pour le semis initial de cellules sur des échafaudages parce qu'ils améliorent l'efficacité de l'attachement cellulaire par rapport à l'ensemencement statique.

Bioréacteurs de perfusion

Les bioréacteurs de perfusion sont constitués d'une boucle fermée dans laquelle le milieu de culture est pompé à travers la lumen du greffon et/ou à travers la paroi poreuse (écoulement transmural).Cette conception assure une livraison uniforme des nutriments sur toute l'épaisseur de la paroi, empêchant la nécrose centrale dans les échafaudages épais. La perfusion permet également de contrôler avec précision la contrainte de cisaillement en ajustant le débit.

Bioréacteurs à flux pulsatile

Les capteurs de pression et les capteurs de débit fournissent une rétroaction en temps réel aux conditions de coupe fine. Certaines conceptions permettent la co-culture de cellules endothéliales et de cellules musculaires lisses dans des compartiments séparés, avec le lumen ensemencé avec des cellules endothéliales et le mur peuplé par des cellules musculaires lisses et des fibroblastes. Une revue de 2020 marquante dans Nature Reviews Cardiologie a souligné que les bioréacteurs pulsatiles sont essentiels pour atteindre les propriétés mécaniques et biologiques nécessaires aux greffes de petits diamètres.

Bioréacteurs de vaisseaux à parois tournantes

Développés par la NASA pour la culture de cellules de microgravité, les bioréacteurs de vaisseaux muraux rotatifs simulent un débit laminaire à faible cisaillement en tournant un vaisseau cylindrique autour d'un axe horizontal. Ces bioréacteurs sont particulièrement utiles pour former des sphéroïdes ou des cultures agrégées qui peuvent être utilisés pour générer des constructions vasculaires.

Bioréacteurs microfluidiques

Les progrès réalisés dans la microfabrication ont conduit à des bioréacteurs microfluidiques qui contrôlent précisément le microenvironnement cellulaire à l'échelle du micromètre. Ces systèmes sont utilisés pour étudier les interactions cellules-cellules, la fonction de barrière endothéliale et les effets de forces mécaniques spécifiques de manière à obtenir un haut débit.

Sources de cellules et échafaudages pour les gravats bioartificiels

Le succès d'une greffe de vaisseaux sanguins bioartificiels dépend non seulement du bioréacteur, mais aussi des composants biologiques et structurels – cellules et échafaudages. Les bioréacteurs doivent être adaptés aux exigences spécifiques de ces composants.

Sources de cellules

  • Les cellules endothéliales et musculaires lisses autologues: Dérivées des vaisseaux du patient (par exemple, veine saphène, artère radiale), ces cellules fournissent une compatibilité immunologique. Cependant, la récolte nécessite une intervention chirurgicale supplémentaire, et l'expansion cellulaire prend du temps.
  • Les cellules souches et les cellules souches de progéniteurs:[ Les cellules souches pluripotentes induites (CSPi) et les cellules souches mésenchymiques (CSM) peuvent se différencier en lignées vasculaires sous des repères biochimiques et mécaniques appropriés dans les bioréacteurs. Des études récentes (ScienceDirect, 2021) ont démontré que les cellules musculaires lisses issues de l'iPSi semées dans les bioréacteurs produisent des greffes ayant une excellente fonction contractile.
  • Les cellules progéniteurs endothéliales (CEP): Les CEP circulantes peuvent être isolées du sang périphérique et étendues dans des bioréacteurs avant de semer sur des lumens de greffe. Leur capacité innée à former un endothélium non thrombogène les rend attrayants pour réduire l'échec précoce du greffon.

Matériaux d'échafaudage

  • Polymères naturels: Les collagènes, la fibrine et l'élastine sont largement utilisés en raison de leur biocompatibilité et de leurs motifs intrinsèques d'adhérence cellulaire. Les bioréacteurs améliorent les propriétés mécaniques de ces hydrogels mous en induisant un compactage et un couplage entre les cellules.
  • Les polymères synthétiques: Les poly(acides lactiques-coglycoliques) (PLGA), polycaprolactone (PCL) et polyuréthane offrent des taux de dégradation et une résistance mécanique thoneux.Ces échafaudages nécessitent souvent une modification de surface (p. ex., revêtement avec des protéines adhésives) et bénéficient de la perfusion de bioréacteurs dans les cellules de graines profondes dans la structure poreuse.
  • Matrices décellulisées: Les vaisseaux donneurs animaux ou humains peuvent être décellulisés pour éliminer les composants cellulaires immunogènes tout en préservant l'architecture ECM. Les bioréacteurs remorquent ensuite ces échafaudages avec des cellules dérivées du patient, créant un greffon hybride qui combine l'ECM indigène avec des cellules vivantes. Un avantage notable est la préservation de la microarchitecture complexe et des propriétés mécaniques des vaisseaux naturels.

Défis et limites

Malgré des progrès importants, plusieurs défis demeurent avant que les greffes de vaisseaux sanguins bioartificiels cultivées dans des bioréacteurs ne deviennent une réalité clinique.

  • Thrombogency: Même avec une doublure endothéliale, les surfaces de greffe peuvent activer les plaquettes si l'endothélium est incomplet ou dysfonctionnel. Pour atteindre une monocouche endothéliale confluente et quiescente, il faut une densité de semis optimale et un préconditionnement de cisaillement, que tous les protocoles bioréacteurs n'accomplissent pas de façon fiable.
  • L'épaississement pathologique de la couche vasculaire la plus interne est une cause majeure d'échec de greffe tardive. Les greffes bioartificales peuvent développer une hyperplasie intimale si les cellules musculaires lisses sont mal alignées ou si la conformité mécanique entre le greffon et l'artère native est inadéquate. Le conditionnement bioréactif à long terme avec une souche cyclique appropriée peut atténuer cette situation, mais des protocoles cohérents sont encore en cours d'élaboration.
  • Atteindre des propriétés mécaniques physiologiques :[ Les artères indigènes présentent une courbe de contrainte-souche non linéaire avec une grande conformité à de faibles pressions et un durcissement à des pressions élevées – caractéristiques transmises par le réseau d'élastine et de collagène.De nombreux greffons bioartificiels sont trop rigides (qui provoque une inadéquation de conformité) ou trop faibles (qui risque de rupture).Les bioréacteurs doivent appliquer des forces mécaniques combinatoires (soufflement, déformation, pression) sur des périodes de culture suffisamment longues (souvent de 8 à 12 semaines) pour développer une MEC mature, ce qui est coûteux et difficile sur le plan logistique.
  • Échelle et coût:[ La production de greffons de qualité clinique nécessite des bioréacteurs qui peuvent maintenir simultanément la stérilité et des conditions uniformes pour plusieurs constructions. Les systèmes actuels sont souvent conçus sur mesure pour la recherche, et la traduction en bonnes pratiques de fabrication (BPF) des dispositifs conformes est non triviale.

Orientations futures et innovations

La recherche sur les bioréacteurs pour les greffes vasculaires progresse rapidement, avec plusieurs tendances prometteuses à l'horizon.

Intégration avec la bioimpression 3D

La bioimpression tridimensionnelle peut créer des géométries de greffe spécifiques au patient, y compris des bifurcations et des vaisseaux coniques. Cependant, les constructions imprimées manquent souvent des propriétés mécaniques et biologiques nécessaires à l'implantation. La combinaison de la bioimpression et des bioréacteurs permet de faire mûrir et de renforcer l'échafaudage imprimé par un remodelage à médiation cellulaire. Par exemple, un récipient bioimpression avec des cellules encapsulées de muscle lisse peut être placé dans un bioréacteur de perfusion qui fournit simultanément des nutriments et des contraintes de cisaillement, conduisant à un compactage rapide et à la formation d'ECM.

Médecine personnalisée et bioréacteurs spécifiques au patient

Les futurs protocoles bioréacteurs peuvent intégrer des données spécifiques au patient, telles que la pression artérielle, le diamètre du vaisseau et la dynamique du débit, pour adapter le conditionnement mécanique. Les modèles de dynamique des fluides informatiques peuvent prédire les contraintes de cisaillement et les profils de déformation nécessaires à l'anatomie d'un patient.

Bioréacteurs in situ

Un concept émergent est l'utilisation de greffons vasculaires in situ ou « intelligents » qui incorporent des fonctions de type bioréacteur après implantation.Ces greffons contiennent des microcanaux ou réservoirs embarqués qui libèrent des facteurs pro-guérison en réponse à des changements de débit ou de pression, agissant efficacement comme bioréacteurs internes. Une étude 2022 dans Nature Biomedical Engineering[ a décrit un greffon biorésorbable avec capteurs intégrés et systèmes de livraison de médicaments pouvant être contrôlés externement – précurseur de greffes totalement autonomes.

Modèles de co-culture et d'organoids

Les bioréacteurs sont également adaptés pour soutenir des systèmes de co-culture complexes au-delà des cellules musculaires endothéliales et lisses standard. L'incorporation de péricytes, de cellules immunitaires et de cellules nerveuses est étudiée pour mieux recapituler le microenvironnement des vaisseaux.

Conclusion

Les bioréacteurs sont des outils indispensables au développement de greffes de vaisseaux sanguins bioartificielles. En fournissant des repères mécaniques, chimiques et physiques contrôlés, ils transforment des échafaudages simples en vasculaires fonctionnels avec le potentiel de surperformer les greffes synthétiques. Le champ a fait des progrès remarquables, des expériences de spinner précoces à des systèmes pulsatiles sophistiqués capables de produire des vaisseaux vivants avec des propriétés quasi indigènes. Pourtant, les défis de la thrombose, de l'hyperplasie intime, de la conformité mécanique et de la fabrication évolutive persistent.