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Modèle de tissu synthétique avec des vaisseaux sanguins

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L'utilisation de tissus créés en laboratoire pour guérir ou remplacer des organes endommagés est l'une des grandes visions de l'avenir de la médecine. Les matériaux synthétiques pourraient servir d'échafaudages pour les tissus car, contrairement aux tissus naturels, ils restent stables dans l'organisme suffisamment longtemps pour que celui-ci puisse former de nouvelles structures naturelles.

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Pour qu'un tissu soit fonctionnel, il faut que des vaisseaux sanguins puissent s'y développer et se connecter au système vasculaire de l'organisme, afin que le tissu soit correctement alimenté en oxygène et en nutriments. Cependant, jusqu'à présent, on ne savait pratiquement rien des propriétés des matériaux qui favorisent la croissance des vaisseaux sanguins.

Une équipe dirigée par le Dr Britta Trappmann, ingénieur biomédical à l'Institut Max Planck de biomédecine moléculaire de Münster (Allemagne), a mis au point un système de culture cellulaire dans lequel, pour la première fois, un système fonctionnel de vaisseaux sanguins peut se développer dans un cadre fait de matériaux synthétiques.

Les scientifiques, travaillant dans un hydrogel spécial dont ils peuvent modifier les propriétés de manière contrôlée, ont d'abord fait pousser un vaisseau sanguin parent à partir de cellules de revêtement de vaisseaux sanguins humains. Ils ont ensuite étudié comment les propriétés matérielles de l'environnement cellulaire artificiel influençaient la formation de vaisseaux sanguins supplémentaires et les ont affinés.

Résumant les principaux résultats, Britta Trappmann souligne que "le matériau tissulaire synthétique doit activer certaines molécules d'adhésion dans la membrane des cellules des vaisseaux sanguins afin que les cellules migrent en groupes à partir du vaisseau parent et forment des structures tubulaires, tout en étant suffisamment dégradable pour que les cellules puissent former des vaisseaux sanguins de taille adéquate". Afin d'imiter l'environnement naturel des cellules, de nombreuses biomolécules et cellules supplémentaires devraient être intégrées au système modèle lors d'étapes ultérieures - il peut s'agir de protéines de signalisation, de cellules immunitaires ou de cellules destinées à stabiliser les vaisseaux sanguins. "De plus, l'effet de tous ces facteurs est lié dans les tissus naturels et varie d'un organe à l'autre", explique Britta Trappmann. Comprendre tout cela, dit-elle, est un objectif à long terme, mais, à terme, les connaissances acquises pourraient être utilisées pour la culture de tissus implantables.

Dans cette étude, les chercheurs ont affiné un système modèle que Britta Trappmann a mis au point avec ses collègues lorsqu'elle était post-doctorante aux États-Unis, aux universités de Boston et de Harvard. Il s'agit d'un hydrogel tridimensionnel à base de sucre dans lequel les scientifiques ont pratiqué deux canaux à l'aide d'une aiguille d'acupuncture. Chaque canal a un diamètre de 400 micromètres et est parallèle à l'autre à une distance d'environ un millimètre. Dans l'un des canaux, les scientifiques ont ensemencé des cellules endothéliales, qui tapissent les vaisseaux sanguins dans les tissus naturels. "Les cellules endothéliales entrent en contact les unes avec les autres et s'attachent à leur environnement de tissu synthétique dans le canal, formant ainsi un vaisseau sanguin parent après environ un jour", explique Britta Trappmann. Lorsque cela s'est produit, les scientifiques délivrent un cocktail de facteurs de croissance composé de molécules qui favorisent la croissance des vaisseaux sanguins dans les tissus naturels par le second canal, après quoi les cellules endothéliales migrent dans l'hydrogel.

Les scientifiques ont ensuite voulu découvrir quelles propriétés de l'hydrogel déterminent si les cellules endothéliales migrantes forment effectivement de nouveaux vaisseaux sanguins. Ils ont étudié le rôle joué par l'activation de molécules dites d'adhésion dans la membrane cellulaire, grâce auxquelles les cellules adhèrent à leur environnement. Les chercheurs ont d'abord enrichi le cadre tissulaire de l'hydrogel avec des quantités variables de peptides qui activent un certain type de molécules d'adhésion présentes dans la membrane des cellules endothéliales, appelées intégrines.

Plus la concentration de peptides était élevée, plus les cellules endothéliales migraient ensemble à travers l'hydrogel. En revanche, lorsque les scientifiques ont bloqué la fonction des intégrines, ils ont observé que les cellules ne migraient qu'individuellement. Dans une étape supplémentaire, l'équipe a étudié ce processus en examinant deux sous-types d'intégrines spécifiques. "Nous avons découvert que l'intégrine αvβ3 est la molécule d'adhésion cruciale qui doit être activée pour que les cellules endothéliales migrent en groupe", explique Britta Trappmann. Les scientifiques ont également montré que la migration collective des cellules est, à son tour, une condition préalable pour que les cellules endothéliales forment des cavités connectées au vaisseau parent lors de l'étape suivante.

Bien que les cellules des vaisseaux sanguins aient ensuite formé des structures tubulaires, celles-ci étaient plus petites que celles des tissus naturels. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que cela pouvait être dû au fait que l'hydrogel synthétique est moins dégradable que le tissu naturel et qu'il présente des pores plus petits à travers lesquels les cellules peuvent se glisser. L'hydrogel étant constitué de chaînes de molécules de sucre réticulées par certaines molécules, la solution des scientifiques a consisté à échanger ces molécules réticulantes afin que les cellules puissent cliver l'hydrogel plus rapidement à l'aide des enzymes qu'elles libèrent. Cela a permis aux cellules de migrer plus rapidement et de former des structures vasculaires plus grandes.