Séances ordinaires

En dépit de progrès importants, la protection myocardique reste un
problème d’actualité en raison de la gravité croissante des patients
opérés en chirurgie cardiaque et par conséquent de leur susceptibilité
accrue aux lésions d’ischémie-reperfusion. Les innovations les
plus récentes, qu’il s’agisse de la cardioplégie en normothermie, du
pontage sans circulation extra-corporelle ou du recours au polymorphisme
génétique pour dépister les patients les plus à risque ne remettent
nullement en cause certains principes fondamentaux à l’élaboration
desquels la contribution de Jean-Paul Cachera reste fondamentale.

Myocardial preservation in cardiac surgery

Despite significant progress, myocardial preservation remains a
challenging issue because of the growing severity of the patients
candidates to cardiac surgery. The most recent innovations including
normothermic cardioplegia, beating heart surgery, detection of
high risk patients do not challenge the fundamental principles developped
by Jean Paul Cachera.

La pertinence clinique de ce concept d’organe auto-construit est illustrée par deux chiffres : en France, on dénombre chaque année environ 10.000 nouveaux cas d’insuffisance cardiaque grave, c'est-à-dire réfractaire aux traitements médicamenteux actuels alors que le nombre de transplantations cardiaques oscille aux environ de 350-400 sans espoir réaliste de le voir augmenter. Cette discordance justifie la recherche de nouvelles options thérapeutiques. Le cœur artificiel total reste encore avant tout une solution d’attente avant la transplantation et l’implantation de dispositifs définitifs, sans être une chimère, continue de poser de sérieux problèmes techniques (source d’énergie, matériaux, ergonomie) sans même évoquer les conséquences économiques. La xéno-transplantation ne progresse guère en raison des défis immunologiques non résolus malgré des années de travaux expérimentaux et le poids croissant des contraintes sécuritaires risque de rendre les autorités réglementaires encore plus méfiantes à l’égard du risque d’épizootie. La thérapie génique est encore balbutiante dans ce domaine et la complexité des mécanismes neuro-hormonaux impliqués dans l’insuffisance cardiaque ne se prête pas forcément bien à une approche dont les succès, à ce jour, répondent avant tout à des maladies monogéniques. La transplantation de cellules souches aura sans doute sa place, mais dans des formes intermédiaires, c'est-à-dire chez des patients qui conservent encore un capital suffisant de cellules contractiles. La recherche dans ce domaine a néanmoins eu l’intérêt de mettre en lumière le rôle capital joué par les structures de soutien dans la survie, la prolifération et le différenciation des cellules greffées, ouvrant ainsi la voie à une ingéniérie tissulaire combinant cellules et matrices qui est à la base du concept d’organe auto-construit. Sur le plan technique, ce concept implique deux étapes temporellement distinctes. La première est la décellularisation de l’organe cible, aujourd’hui réalisable efficacement (y compris sur des cœurs de gros mammifères) par la perfusion de détergents chimiques auxquels ont pu été substitués avec succès, du moins dans le cas du foie, un procédé physique fondé sur l’électroporation. L’objectif est d’obtenir la disparition complète de tout matériel cellulaire, pré-requis à l’utilisation potentielle d’organes allo- ou même xénogéniques, tout en maintenant l’intégrité biochimique (contenu en collagène, fibronectine, laminine) et physique (orientation des fibres) de la matrice extra-cellulaire, la perméabilité de l’arbre vasculaire et la compétence des valves. La seconde étape, plus complexe, est celle de la recellularisation. Elle pose, schématiquement, deux problèmes : le choix des cellules et leur mode de transfert. Le cahier des charges imposé aux cellules est en effet contraignant. Il convient d’abord de reconstituer la diversité des populations cellulaires présentes dans le cœur, principalement cardiomyocytes (qui n’en représentent toutefois pas la majorité), myofibroblastes, cellules endothéliales et musculaires lisses. Or si l’obtention de fibroblastes et de cellules vasculaires peut être relativement bien maîtrisée, d’autant qu’elles sont même prélevables chez le futur « receveur » de l’organe reconstitué, tel n’est pas le cas des cellules à visée cardiogénique qui doivent non seulement posséder des propriétés intrinsèquement contractiles, mais aussi être capables de se coupler entre elles et de battre de façon synchrone et à une fréquence modulable par des stimuli neuro-humoraux ou pharmacologiques. Or on sait aujourd’hui que la plasticité des cellules somatiques adultes est limitée et ne leur permet en tous cas pas de se différencier en cardiomyocytes. Cette propriété est le seul fait des cellules pluripotentes, pré-orientées in vitro vers un phénotype cardiaque qu’elles achèvent en principe d’acquérir in vivo sous l’influence de signaux cardio-inducteurs. Ces cellules pluripotentes peuvent être des cellules souches embryonnaires humaines dont le caractère allogènique pose le problème du rejet (indépendamment de toute discussion éthique) ou des cellules somatiques adultes induites à la pluripotence au prix d’une reprogrammation peu efficiente et encore mal maîtrisée car à l’origine possible d’aberrations génétiques et épigénétique. Ultime paradoxe, le caractère autologue de ces cellules ne les expose pas moins à un risque de rejet lié à l’émergence, du fait de la reprogrammation, d’antigènes possiblement identifiés comme étrangers par le système immunitaire du receveur. Enfin, quelle que soit l’origine de ces cellules pluripotentes, leur sélection, au terme de l’étape de pré-différenciation, reste une étape fondamentale afin de n’utiliser que des progéniteurs cardiogéniques et d’éliminer ainsi toute « contamination » par des cellules qui, ayant échappé à cette pré-orientation, auraient conservé un caractère pluripotent et donc un potentiel de prolifération tumorale après la greffe. Le second problème est celui du transfert des cellules sur la charpente qu’elles sont supposées recoloniser. Si la perfusion des cellules à destinée vasculaire parait logique pour reconstituer l’endothélium, l’injection intra-murale des cellules à visée cardiogénique est moins évidente. On a en effet appris de la thérapie cellulaire, que l’injection même, du fait de la dissociation protéolytique préalable des cellules, les prédispose à la mort par apoptose, qu’elle est peu précise et peu reproductible. Si ces limites représentent déjà une sérieuse limitation lorsqu’il s’agit de recoloniser une zone circonscrite de myocarde comme se propose de le faire la transplantation cellulaire, elles risquent d’être quasiment rédhibitoires quand l’objectif devient celui de la repopulation de l’organe entier. Difficulté supplémentaire, cette repopulation ne vise pas seulement à apporter le contingent numérique de cellules nécessaires à la contraction du futur cœur reconstitué, elle se doit aussi de permettre un alignement de ces cellules, à la fois entre elles et par rapport à leur matrice de soutien, compatible avec l’anisotropie qui caractérise le cœur et conditionne largement l’efficacité de sa fonction contractile. Cette fonction est aussi dépendante de l’innervation dont la reconstitution au sein de l’organe auto-construit et les connexions extrinsèques avec les systèmes sympathique et parasympathique du receveur restent à ce jour des problèmes non résolus. Ainsi, dans le travail séminal de Ott et Taylor (Nature Medicine, 2008 ;14 :213-221), des cœurs de rat décellularisés puis recolonisés par des cellules cardiaques néo-natales et placés dans un bioréacteur ont certes pu démontrer des réponses électriques et mécaniques à la stimulation, apportant ainsi la preuve du concept, mais avec une force contractile équivalent à 2% de celle d’un cœur humain adulte, ce qui illustre clairement le chemin qui reste à parcourir. Le remplacement complet d’un cœur humain par un autre cœur constitué d’une matrice, d’origine humaine ou animale, et ensemencée par des cellules capables de s’organiser, structurellement et fonctionnellement, pour le douer d’une activité mécanique efficace, est une perspective encore incertaine et en tous cas certainement lointaine. En revanche, le développement de cette technologie, même si elle ne parvient pas à atteindre l’objectif final, aura, et d’ailleurs a déjà, des conséquences importantes dans le domaine de l’ingéniérie tissulaire. En effet, le développement des techniques de détersion et d’ensemencement devrait conduire à la mise au point de matrices permettant d’optimiser réhabitation, prolifération, différenciation et organisation spatiale des populations cellulaires d’intérêt. Il devient alors réaliste de considérer que ces biomatériaux cellularisés trouvent des indications dans le remplacement partiel du cœur, qu’il s’agisse de celui d’une valve, d’une voie d’éjection (notamment celle du ventricule droit) ou de portions de myocarde défaillant auquel ce matériau composite pourrait redonner une fonction. Dans ces conditions, le cœur « auto-construit » apparait plus comme une option supplémentaire dans l’arsenal thérapeutique que comme un substitut complet à la transplantation.
Intervenant : G. JONDEAU (Paris), Cardiologue, Hôpital Bichat, Service du Pr A. Vahanian

Les meilleurs substituts vasculaires restent les matériaux autologues, mais leur indisponibilité ou leur mauvaise qualité ne sont pas rares et contraignent alors à l’utilisation d’une prothèse. Si ces prothèses donnent d’excellents résultats lorsque les vaisseaux à traiter sont de gros calibre, il n’en est plus de même pour les petits diamètres et c’est dans ce contexte que les techniques d’ingéniérie vasculaire trouvent leur place élective. Fondées sur la combinaison variable de cellules et de matériaux, naturels ou synthétiques, ces techniques font appel à des stratégies diverses : ensemencement de prothèses synthétiques ; utilisation des séreuses comme bioréacteurs naturels ; ensemencement de biomatériaux dégradables ; tubes cellularisés autologues autoassemblés ; matrices acellulaires. Chacune de ces techniques a ses avantages et ses limites, mais une observation commune à tous ces travaux est la disparition rapide des cellules greffées in vitro de leur support. Aussi les cellules greffées ne sont-elles plus aujourd’hui considérées comme les constituants présumés d’un néo-tissu, mais plutôt comme des médiateurs permettant un remodelage vasculaire à travers le recrutement des cellules de l’hôte. L’identification des facteurs-clés de ce recrutement ouvre un nouveau champ de l’ingéniérie vasculaire fondé sur l’exploitation des capacités endogènes de néo-vascularisation. La traduction concrète en est la fonctionnalisation de matrices biodégradables acellulaires par des motifs capables d’induire une réhabitation du greffon par les cellules du receveur, permettant ainsi de minimiser les effets délétères de l’interface sangmatériau (thrombose, hyperplasie intimale) sans compromettre l’élasticité et la compliance du néo-vaisseau.

Engineering of vascular conduits

The best vascular substitutes are autologous materials but their unavailability or their poor quality are not uncommon, which then requires the use of synthetic prostheses. If these prostheses yield an excellent efficacy record in large diameters, such is not longer the case when small-caliber vessels have to be grafted and it is in this setting that vascular engineering techniques are electively indicated. Based on the variable combination of cells and natural or synthetic scaffolds, these techniques rely on diverse strategies: seeding of synthetic grafts; use of serosal cavities as natural bioreactors; seeding of degradable biomaterials; autologous self-assembled cellularized tubes; cell-free scaffolds. Each of these techniques has advantages and drawbacks but all share in common the observation that the grafted cells are rapidly cleared from their supportive scaffold. The paradigm has then shifted from the use of cells as presumed constituents of a neo-tissue to that of cells considered as mediators of vascular remodeling through the recruitment of host cells. The identification of the key factors involved in this recruitment opens a new field in vascular engineering based on the harnessing of the endogenous neovascularization capacity. This concept technically translates into the development of acellular degradable scaffolds functionalized with motifs that can induce the repopulation of the graft by the recipient cells, thereby minimizing the deleterious effects at the blood-material interface (thrombosis, intimal hyperplasia) without compromising the elasticity and compliance of the neo-vessel.

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