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Un nouveau cœur miniature pourrait aider à accélérer la guérison des maladies cardiaques

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Il n’y a pas de moyen sûr d’avoir une vue rapprochée du cœur humain pendant qu’il fait son travail : vous ne pouvez pas simplement le sortir, y jeter un coup d’œil, puis le remettre en place. Les scientifiques ont essayé différentes façons de contourner ce problème. problème fondamental : ils ont relié des cœurs de cadavres à des machines pour les faire pomper à nouveau, attaché des tissus cardiaques cultivés en laboratoire à des ressorts pour les voir se dilater et se contracter. Chaque approche a ses défauts : les cœurs réanimés ne peuvent battre que quelques heures ; les ressorts ne peuvent pas reproduire les forces à l’œuvre sur le vrai muscle. Mais mieux comprendre cet organe vital est urgent : en Amérique, une personne meurt d’une maladie cardiaque toutes les 36 secondes, selon les Centers for Disease Control and Prevention.

Aujourd’hui, une équipe interdisciplinaire d’ingénieurs, de biologistes et de généticiens a développé une nouvelle façon d’étudier le cœur : ils ont construit une réplique miniature d’une chambre cardiaque à partir d’une combinaison de pièces nanotechnologiques et de tissu cardiaque humain. Il n’y a pas de ressorts ou de sources d’énergie externes – comme la vraie chose, elle bat juste par elle-même, entraînée par le tissu cardiaque vivant issu de cellules souches. L’appareil pourrait donner aux chercheurs une vision plus précise du fonctionnement de l’organe, leur permettant de suivre la croissance du cœur dans l’embryon, d’étudier l’impact de la maladie et de tester l’efficacité potentielle et les effets secondaires des nouveaux traitements, le tout sans risque pour patients et sans quitter un laboratoire.

L’équipe dirigée par l’Université de Boston derrière le gadget – surnommé miniPUMP, et officiellement connue sous le nom de pompe microfluidique unidirectionnelle à précision cardiaque miniaturisée – affirme que la technologie pourrait également ouvrir la voie à la construction de versions en laboratoire d’autres organes, des poumons aux reins. Leurs conclusions ont été publiées dans Avancées scientifiques.

« Nous pouvons étudier la progression de la maladie d’une manière qui n’était pas possible auparavant », déclare Alice White, professeure au BU College of Engineering et titulaire de la chaire de génie mécanique. « Nous avons choisi de travailler sur le tissu cardiaque en raison de sa mécanique particulièrement compliquée, mais nous avons montré que, lorsque vous prenez la nanotechnologie et l’associez à l’ingénierie tissulaire, il existe un potentiel de reproduction pour plusieurs organes. »

Selon les chercheurs, l’appareil pourrait éventuellement accélérer le processus de développement de médicaments, le rendant plus rapide et moins cher. Au lieu de dépenser des millions – et peut-être des décennies – pour faire avancer un médicament dans le pipeline de développement pour le voir tomber au dernier obstacle lorsqu’il est testé sur des personnes, les chercheurs pourraient utiliser le miniPUMP dès le départ pour mieux prédire le succès ou l’échec.

Le projet fait partie de CELL-MET, un centre de recherche en ingénierie multi-institutionnel de la National Science Foundation sur les métamatériaux cellulaires dirigé par BU. L’objectif du centre est de régénérer les tissus cardiaques humains malades, en créant une communauté de scientifiques et d’experts de l’industrie pour tester de nouveaux médicaments et créer des patchs artificiels implantables pour les cœurs endommagés par des crises cardiaques ou des maladies.

« Les maladies cardiaques sont la première cause de décès aux États-Unis, nous touchant tous », déclare White, qui était scientifique en chef chez Alcatel-Lucent Bell Labs avant de rejoindre BU en 2013. « Aujourd’hui, il n’y a pas de remède pour un cœur attaque. La vision de CELL-MET est de changer cela.

Médecine personnalisée

Il y a beaucoup de choses qui peuvent mal tourner avec votre cœur. Lorsqu’il fonctionne correctement sur les quatre cylindres, les deux cavités supérieures et inférieures du cœur permettent à votre sang de circuler afin que le sang riche en oxygène circule et alimente votre corps. Mais lorsque la maladie frappe, les artères qui transportent le sang hors de votre cœur peuvent se rétrécir ou se bloquer, les valves peuvent fuir ou mal fonctionner, le muscle cardiaque peut s’amincir ou s’épaissir, ou les signaux électriques peuvent se court-circuiter, provoquant trop ou trop peu de battements. Si elles ne sont pas contrôlées, les maladies cardiaques peuvent entraîner des malaises, comme des essoufflements, de la fatigue, des gonflements et des douleurs thoraciques, et, pour beaucoup, la mort.

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« Le cœur subit des forces complexes lorsqu’il pompe le sang dans notre corps », explique Christopher Chen, professeur émérite de génie biomédical William F. Warren de BU. « Et bien que nous sachions que le muscle cardiaque s’aggrave en réponse à des forces anormales, par exemple, en raison de l’hypertension artérielle ou d’une maladie valvulaire, il a été difficile d’imiter et d’étudier ces processus pathologiques. C’est pourquoi nous voulions construire un cavité cardiaque miniaturisée. »

Avec seulement 3 centimètres carrés, la miniPUMP n’est pas beaucoup plus grande qu’un timbre-poste. Conçus pour agir comme un ventricule cardiaque humain – ou une chambre inférieure musculaire – ses composants sur mesure sont montés sur un mince morceau de plastique imprimé en 3D. Il y a des valves acryliques miniatures, qui s’ouvrent et se ferment pour contrôler le flux de liquide – l’eau, dans ce cas, plutôt que le sang – et de petits tubes, canalisant ce fluide comme les artères et les veines. Et battant dans un coin, les cellules musculaires qui contractent le tissu cardiaque, les cardiomyocytes, fabriqués à l’aide de la technologie des cellules souches.

« Ils sont générés à l’aide de cellules souches pluripotentes induites », explique Christos Michas (ENG’21), un chercheur postdoctoral qui a conçu et dirigé le développement de la miniPUMP dans le cadre de son doctorat. thèse.

Pour fabriquer le cardiomyocyte, les chercheurs prélèvent une cellule d’un adulte – il peut s’agir d’une cellule cutanée, d’une cellule sanguine ou à peu près n’importe quelle autre cellule – la reprogramment en une cellule souche de type embryonnaire, puis la transforment en cellule cardiaque. En plus de donner à l’appareil un cœur littéral, Michas dit que les cardiomyocytes donnent également au système un énorme potentiel pour aider à lancer des médicaments personnalisés. Les chercheurs pourraient par exemple placer un tissu malade dans l’appareil, puis tester un médicament sur ce tissu et observer l’impact sur sa capacité de pompage.

« Avec ce système, si je vous prélève des cellules, je peux voir comment le médicament réagirait dans tu, parce que ce sont vos cellules », dit Michas. « Ce système reproduit mieux une partie de la fonction du cœur, mais en même temps, nous donne la flexibilité d’avoir différents humains qu’il reproduit. C’est un modèle plus prédictif pour voir ce qui se passerait chez les humains, sans vraiment entrer dans les humains. »

Un nouveau cœur miniature pourrait aider à accélérer la guérison des maladies cardiaques

Selon Michas, cela pourrait permettre aux scientifiques d’évaluer les chances de succès d’un nouveau médicament contre les maladies cardiaques bien avant de se lancer dans des essais cliniques. De nombreux candidats-médicaments échouent en raison de leurs effets secondaires indésirables.

« Au tout début, lorsque nous jouons encore avec les cellules, nous pouvons introduire ces dispositifs et avoir des prédictions plus précises de ce qui se passera dans les essais cliniques », explique Michas. « Cela signifiera également que les médicaments pourraient avoir moins d’effets secondaires. »

Plus fin qu’un cheveu humain

L’un des éléments clés de la miniPUMP est un échafaudage en acrylique qui soutient et se déplace avec le tissu cardiaque lorsqu’il se contracte. Une série de spirales concentriques superfines – plus fines qu’un cheveu humain – reliées par des anneaux horizontaux, l’échafaudage ressemble à un piston artistique. C’est une pièce essentielle du puzzle, donnant une structure aux cellules cardiaques – qui ne seraient qu’une masse informe sans elle – mais n’exerçant aucune force active sur elles.

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« Nous ne pensons pas que les méthodes précédentes d’étude des tissus cardiaques capturent la façon dont le muscle réagirait dans votre corps », déclare Chen, qui est également directeur du Biological Design Center de BU et membre associé du corps professoral du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard. « Cela nous donne la première opportunité de construire quelque chose qui ressemble mécaniquement davantage à ce que nous pensons que le cœur vit réellement – c’est un grand pas en avant. »

Pour imprimer chacun des minuscules composants, l’équipe a utilisé un processus appelé écriture laser directe à deux photons, une version plus précise de l’impression 3D. Lorsque la lumière est projetée dans une résine liquide, les zones qu’elle touche deviennent solides ; parce que la lumière peut être dirigée avec une telle précision – focalisée sur un point minuscule – de nombreux composants de la miniPUMP sont mesurés en microns, plus petits qu’une particule de poussière.

La décision de rendre la pompe si petite, plutôt que grandeur nature ou plus grande, était délibérée et est cruciale pour son fonctionnement.

Un nouveau cœur miniature pourrait aider à accélérer la guérison des maladies cardiaques

« Les éléments structurels sont si fins que les choses qui seraient normalement rigides sont flexibles », explique White. « Par analogie, pensez à la fibre optique : une fenêtre en verre est très rigide, mais vous pouvez enrouler une fibre optique en verre autour de votre doigt. L’acrylique peut être très rigide, mais à l’échelle impliquée dans la miniPUMP, l’échafaudage en acrylique peut être comprimé par les cardiomyocytes battants.

Chen dit que l’échelle de la pompe montre « qu’avec des architectures d’impression plus fines, vous pourriez être en mesure de créer des organisations de cellules plus complexes que nous ne le pensions auparavant ». À l’heure actuelle, lorsque les chercheurs tentent de créer des cellules, dit-il, qu’il s’agisse de cellules cardiaques ou de cellules hépatiques, elles sont toutes désorganisées – « pour obtenir une structure, il faut croiser les doigts et espérer que les cellules créent quelque chose ». Cela signifie que l’échafaudage tissulaire mis au point dans le miniPUMP a de grandes implications potentielles au-delà du cœur, jetant les bases d’autres organes sur puce, des reins aux poumons.

Affiner la technologie

Selon White, la percée est possible grâce à l’éventail d’experts de l’équipe de recherche de CELL-MET, qui comprenait non seulement des ingénieurs mécaniques, biomédicaux et des matériaux comme elle, Chen et Arvind Agarwal de l’Université internationale de Floride, mais aussi le généticien Jonathan G. Seidman de la Harvard Medical School et spécialiste de la médecine cardiovasculaire Christine E. Seidman de la Harvard Medical School et du Brigham and Women’s Hospital. C’est une vaste expérience qui a profité non seulement au projet, mais à Michas. Étudiant en génie électrique et informatique au premier cycle, il dit qu’il n’avait « jamais vu de cellules de ma vie avant de commencer ce projet ». Maintenant, il se prépare à occuper un nouveau poste au sein de la biotechnologie basée à Seattle, Curi Bio, une société qui combine la technologie des cellules souches, les biosystèmes tissulaires et l’intelligence artificielle pour alimenter le développement de médicaments et de thérapies.

« Christos est quelqu’un qui comprend la biologie », dit White, « peut faire la différenciation cellulaire et la manipulation des tissus, mais comprend également la nanotechnologie et ce qui est nécessaire, d’un point de vue technique, pour fabriquer la structure. »

Le prochain objectif immédiat pour l’équipe miniPUMP ? Pour affiner la technologie. Ils prévoient également de tester des moyens de fabriquer l’appareil sans compromettre sa fiabilité.

« Il y a tellement d’applications de recherche », dit Chen. « En plus de nous donner accès au muscle cardiaque humain pour étudier les maladies et les pathologies, ce travail ouvre la voie à la fabrication de patchs cardiaques qui pourraient finalement être destinés à une personne qui avait un défaut dans son cœur actuel. »


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