Ingénierie tissulaire: Comment construire un cœur

Doris Taylor ne prend pas ça comme une insulte quand les gens l’appellent Dr Frankenstein. « C’était en fait l’un des plus gros compliments que j’ai reçus », dit—elle – une affirmation que ses recherches repoussent les limites du possible. Compte tenu de la nature de son travail en tant que directrice de la recherche en médecine régénérative au Texas Heart Institute de Houston, Taylor doit admettre que la comparaison est appropriée. Elle récolte régulièrement des organes tels que les cœurs et les poumons des nouveaux morts, les reconfigure à partir des cellules et tente de les ramener à la vie dans l’espoir qu’ils puissent battre ou respirer à nouveau chez les vivants.

Taylor est à l’avant-garde des chercheurs qui cherchent à concevoir de nouveaux organes entiers, pour permettre des greffes sans risque de rejet par le système immunitaire du receveur. La stratégie est assez simple en principe. Retirez d’abord toutes les cellules d’un organe mort — il ne doit même pas provenir d’un humain — puis prenez l’échafaudage protéique laissé et repeuplez-le avec des cellules souches immunologiquement adaptées au patient dans le besoin. Voilà! La pénurie criante d’organes transplantables dans le monde est résolue.

Dans la pratique, cependant, le processus est confronté à d’énormes défis. Les chercheurs ont eu un certain succès avec la croissance et la transplantation d’organes creux relativement simples tels que les trachées et les vessies (voir go.nature.com/zvuxed ). Mais la croissance d’organes solides tels que les reins ou les poumons signifie que des dizaines de types de cellules se trouvent exactement dans les bonnes positions et que, simultanément, des réseaux complets de vaisseaux sanguins se développent pour les maintenir en vie. Les nouveaux organes doivent être stériles, capables de croître si le patient est jeune et au moins nominalement capables de se réparer. Plus important encore, ils doivent travailler — idéalement, pour toute une vie. Le cœur est le troisième organe le plus nécessaire après le rein et le foie, avec une liste d’attente d’environ 3 500 aux États-Unis seulement, mais il pose des défis supplémentaires pour la transplantation et la bioingénierie. Le cœur doit battre constamment pour pomper quelque 7 000 litres de sang par jour sans secours. Il a des chambres et des valves construites à partir de plusieurs types différents de cellules musculaires spécialisées appelées cardiomyocytes. Et les cœurs des donneurs sont rares, car ils sont souvent endommagés par la maladie ou les efforts de réanimation, de sorte qu’un approvisionnement régulier en organes bio-conçus serait le bienvenu.

Taylor, qui a dirigé certaines des premières expériences réussies pour construire des cœurs de rat1, est optimiste quant à ce défi ultime en ingénierie tissulaire. « Je pense que c’est éminemment faisable », dit-elle, ajoutant rapidement: « Je ne pense pas que ce soit simple. » Certains collègues sont moins optimistes. Paolo Macchiarini, chirurgien thoracique et scientifique à l’Institut Karolinska de Stockholm, qui a transplanté des trachées bioingéniées chez plusieurs patients, affirme que bien que l’ingénierie tissulaire puisse devenir une routine pour remplacer les structures tubulaires telles que les trachées, les artères et les œsophages, il n’est « pas confiant que cela se produira avec des organes plus complexes ».

Pourtant, l’effort peut être utile même s’il échoue, explique Alejandro Soto-Gutiérrez, chercheur et chirurgien à l’Université de Pittsburgh en Pennsylvanie. « Outre le rêve de fabriquer des organes pour la transplantation, il y a beaucoup de choses que nous pouvons apprendre de ces systèmes », dit—il – y compris une meilleure compréhension de base de l’organisation cellulaire dans le cœur et de nouvelles idées sur la façon d’en réparer un.

NIK SPENCER / NATURE

L’échafaud

Depuis plus d’une décennie, les biologistes sont capables de transformer des cellules souches embryonnaires en cellules musculaires cardiaques battantes dans une boîte. Avec un peu de stimulation électrique de l’extérieur, ces cellules cardiaques techniques tombent même au pas et maintiennent un battement synchrone pendant des heures.

Mais passer de taches tremblantes dans une boîte de Pétri à un cœur en activité nécessite un échafaudage pour organiser les cellules en trois dimensions. Les chercheurs pourraient finalement être en mesure de créer de telles structures avec une impression tridimensionnelle – comme cela a été démontré plus tôt cette année avec une trachée artificielle2 (voir Nature http://doi.org/m2q; 2013). Dans un avenir prévisible, cependant, la structure complexe du cœur humain est hors de portée même des machines les plus sophistiquées. Cela est particulièrement vrai pour les réseaux complexes de capillaires qui doivent fournir au cœur de l’oxygène et des nutriments et éliminer les déchets des profondeurs de ses tissus. « La vascularisation est le défi majeur « , explique Anthony Atala, urologue à l’Université de Wake Forest à Winston-Salem, en Caroline du Nord, qui a implanté des vessies bio-ingéniées dans des patients3 et travaille à la construction de reins (voir Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

Les techniques de pointe pour les futurs constructeurs de cœur impliquent généralement de réutiliser ce que la biologie a déjà créé. Un bon endroit pour voir comment cela se fait est le Massachusetts General Hospital de Boston, où Harald Ott, chirurgien et chercheur en médecine régénérative, démontre une méthode qu’il a développée pendant sa formation sous Taylor au milieu des années 2000.

Suspendu par des tubes en plastique dans une chambre en forme de tambour en verre et en plastique est un cœur humain frais. À proximité se trouve une pompe qui pousse tranquillement le détergent à travers un tube qui s’écoule dans l’aorte du cœur. Le flux force la valve aortique fermée et envoie le détergent à travers le réseau de vaisseaux sanguins qui alimentent le muscle jusqu’à la mort de son propriétaire quelques jours auparavant. Au cours d’une semaine environ, explique Ott, ce flux de détergent éliminera les lipides, l’ADN, les protéines solubles, les sucres et presque tout le reste du matériel cellulaire du cœur, ne laissant qu’un maillage pâle de collagène, de laminines et d’autres protéines structurelles: la « matrice extracellulaire » qui maintenait autrefois l’organe ensemble.

Le cœur de l’échafaudage n’a pas besoin d’être humain. Les porcs sont prometteurs: ils portent tous les composants cruciaux de la matrice extracellulaire, mais il est peu probable qu’ils soient porteurs de maladies humaines. Et leurs cœurs sont rarement affaiblis par la maladie ou les efforts de réanimation. « Les tissus de porc sont beaucoup plus sûrs que les humains et il y en a un approvisionnement illimité », explique Stephen Badylak, chercheur en médecine régénérative à l’Université de Pittsburgh.

La partie délicate, dit Ott, est de s’assurer que le détergent dissout la bonne quantité de matière. Dépouiller trop peu, et la matrice pourrait retenir certaines des molécules de surface cellulaire qui peuvent entraîner un rejet par le système immunitaire du receveur. Dépouiller trop, et il pourrait perdre des protéines vitales et des facteurs de croissance qui indiquent aux cellules nouvellement introduites où adhérer et comment se comporter. « Si vous pouvez utiliser un agent plus doux et un délai plus court, vous obtenez davantage de réponse de remodelage », explique Thomas Gilbert, qui étudie la décellularisation chez ACell, une entreprise de Columbia, dans le Maryland, qui produit des produits à matrice extracellulaire pour la médecine régénérative.

Par essais et erreurs, en augmentant la concentration, le timing et la pression des détergents, les chercheurs ont affiné le processus de décellularisation sur des centaines de cœurs et d’autres organes. C’est probablement l’étape la mieux développée de l’entreprise génératrice d’organes, mais ce n’est que la première étape. Ensuite, l’échafaudage doit être repeuplé avec des cellules humaines.

Les cellules

La « recellularisation » introduit une autre série de défis, explique Jason Wertheim, chirurgien à la Feinberg School of Medicine de l’Université Northwestern à Chicago, Illinois.  » Premièrement, quelles cellules utilisons-nous? Deuxièmement, combien de cellules utilisons-nous? Et trois, devraient-ils être des cellules matures, des cellules souches embryonnaires, des cellules iPS? Quelle est la source cellulaire optimale? »

L’utilisation de cellules matures est pour le moins délicate, dit Taylor. « Vous ne pouvez pas faire proliférer les cardiocytes adultes », dit-elle. « Si vous le pouviez, nous n’aurions pas du tout cette conversation » — parce que les cœurs endommagés pourraient se réparer eux-mêmes et qu’il n’y aurait pas besoin de greffes.

La plupart des chercheurs sur le terrain utilisent un mélange de deux types cellulaires ou plus, tels que des cellules précurseurs endothéliales pour tapisser les vaisseaux sanguins et des progéniteurs musculaires pour ensemencer les parois des chambres. Ott les a dérivées de cellules iPS – des cellules adultes reprogrammées à un état de cellules souches embryonnaires en utilisant des facteurs de croissance – car elles peuvent être prélevées sur un patient dans le besoin et utilisées pour fabriquer des tissus immunologiquement adaptés.

En principe, l’approche des cellules iPS pourrait fournir au nouveau cœur toute sa gamme de types cellulaires, y compris les cellules vasculaires et plusieurs variétés de cellules du muscle cardiaque. Mais dans la pratique, il rencontre ses propres problèmes. L’un est la taille d’un cœur humain. Les chiffres sont sérieusement sous-appréciés, dit Ott. « C’est une chose de faire un million de cellules; une autre de faire 100 millions ou 50 milliards de cellules. »Et les chercheurs ne savent pas si les bons types de cellules se développeront lorsque les cellules iPS seront utilisées pour récapituler le développement embryonnaire dans un échafaudage cardiaque adulte.

LABORATOIRE OTT / HÔPITAL GÉNÉRAL DU MASSACHUSETTS

Un cœur humain décellularisé attend la reconstruction avec une injection de cellules précurseurs.

Au fur et à mesure qu’elles colonisent l’échafaudage, certaines des cellules immatures prendront racine et commenceront à se développer. Mais pour les inciter à devenir fonctionnels, battre les cardiomyocytes nécessite plus que des milieux oxygénés et des facteurs de croissance. « Les cellules sentent leur environnement », explique Angela Panoskaltsis-Mortari, qui a essayé de construire des poumons pour une greffe à l’Université du Minnesota à Minneapolis.  » Ils ne ressentent pas seulement les facteurs. Ils ressentent la rigidité et la contrainte mécanique, « qui à son tour pousse les cellules sur leur propre chemin de développement.

Les chercheurs doivent donc placer le cœur dans un bioréacteur qui imite la sensation de battre. Les bioréacteurs d’Ott utilisent une combinaison de signaux électriques – semblable à un stimulateur cardiaque — pour aider à synchroniser les cardiomyocytes battants ensemencés sur l’échafaudage, combinés à des mouvements de battement physiques induits par une pompe (voir « Organes personnalisés »). Mais les chercheurs sont confrontés à une bataille constante pour essayer de détecter les conditions présentes dans le corps humain, telles que les changements de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle, ou la présence de médicaments. « Le corps réagit aux choses et change les conditions si rapidement qu’il est probablement impossible d’imiter cela dans un bioréacteur », explique Badylak.

Lorsque Taylor et Ott développaient pour la première fois des bioréacteurs, pour des cœurs de rat décellularisés et repeuplés, ils devaient apprendre au fur et à mesure. « Il y avait beaucoup de ruban adhésif dans le laboratoire », explique Ott. Mais finalement, les cœurs ont pu battre d’eux-mêmes après huit à dix jours dans le bioréacteur, produisant environ 2% de la capacité de pompage d’un cœur de rat adulte normal1. Taylor dit qu’elle a depuis obtenu des cœurs de rats et de grands mammifères à pomper avec jusqu’à 25% de la capacité normale, bien qu’elle n’ait pas encore publié les données. Elle et Ott sont convaincus qu’ils sont sur la bonne voie.

Le battement

Le défi final est l’un des plus difficiles: placer un cœur nouvellement développé et conçu dans un animal vivant, et le garder battre pendant longtemps.

L’intégrité du système vasculaire est la première barrière. Tout morceau nu de matrice sert de terreau pour des caillots qui pourraient être fatals à l’organe ou à l’animal. « Vous aurez besoin d’un endothélium assez intact tapissant chaque vaisseau ou vous aurez une coagulation ou des fuites », explique Gilbert.

Ott a démontré que les organes artificiels peuvent survivre pendant un certain temps. Son groupe a transplanté un seul poumon bioingénié dans un rat, montrant qu’il pouvait supporter les échanges de gaz pour l’animal, mais l’espace aérien s’est assez rapidement rempli de fluides4. Et une greffe de rein de rat d’ingénierie rapportée par le groupe d’Ott au début de cette année a survécu sans coagulation, mais n’avait qu’une capacité minimale à filtrer l’urine, probablement parce que le processus n’avait pas produit suffisamment de types de cellules nécessaires au kidney5 (voir Nature http://doi.org/m2r; 2013). L’équipe d’Ott et d’autres ont implanté des cœurs reconstruits chez des rats, généralement dans le cou, dans l’abdomen ou à côté du cœur de l’animal. Mais bien que les chercheurs puissent nourrir les organes avec du sang et les faire battre pendant un certain temps, aucun des cœurs n’a pu soutenir la fonction de pompage du sang. Les chercheurs doivent montrer qu’un cœur a une capacité de fonctionnement beaucoup plus élevée avant de pouvoir le transplanter dans un animal plus grand qu’un rat.

Avec le cœur, dit Badylak, « il faut commencer par quelque chose qui peut assez bien fonctionner » à partir du moment où la greffe est en place. « Vous ne pouvez pas avoir quelque chose qui pompe seulement 1, 2 ou 5% de la fraction d’éjection du cœur normal et vous attendre à faire une différence », dit-il, se référant à une mesure commune de l’efficacité du pompage. Il y a peu de place pour l’erreur.  » Nous ne faisons que faire des petits pas », explique Panoskaltsis-Mortari. « Nous sommes là où les gens étaient avec une greffe cardiaque il y a des décennies. »

Le processus de décellularisation cultivé par Ott et d’autres informe déjà le développement de valves améliorées à base de tissus et d’autres parties du cœur et d’autres organes. Une valve bio-ingéniée, par exemple, peut durer plus longtemps que des valves mécaniques ou des valves de tissus morts, car elles ont le potentiel de se développer avec un patient et de se réparer elles-mêmes. Et d’autres organes peuvent ne pas avoir besoin d’être entièrement remplacés. « Je serais surpris que dans les 5 à 7 prochaines années, vous ne voyiez pas le patient implanté avec au moins une partie d’une artère, des lobes d’un poumon, des lobes d’un foie », explique Badylak.

Taylor soupçonne que des approches partielles pourraient aider les patients atteints de malformations cardiaques graves telles que le syndrome du cœur gauche hypoplasique, dans lequel la moitié du cœur est gravement sous-développée. Restaurer l’autre moitié, « vous oblige essentiellement à construire la majorité des choses dont vous avez besoin », dit-elle.

Et ces efforts pourraient constituer des leçons pour le développement de thérapies cellulaires délivrées au cœur. Les chercheurs apprennent, par exemple, comment les cellules cardiaques se développent et fonctionnent en trois dimensions. À l’avenir, des échafaudages partiels, synthétiques ou à partir de cadavres, pourraient permettre à de nouvelles cellules de peupler les zones endommagées des cœurs et de les réparer comme des plaques.

Les jarres d’organes flottants fantomatiques peuvent sembler un écho horrible de l’histoire de Frankenstein, mais Taylor dit que son travail est un travail d’amour. « Il y a des jours où je me dis: « Oh mon dieu, dans quoi suis-je entré? » D’un autre côté, tout ce qu’il faut, c’est qu’un enfant t’appelle, te disant:  » Peux-tu aider ma mère? » et cela en vaut la peine. »