Les valves cardiaques fabriquées en quelques minutes contrôlent le flux sanguin immédiatement après avoir été implantées chez les moutons

7 juin 2023

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par Cell Press

Des chercheurs ont mis au point une méthode pour produire à moindre coût des valves cardiaques en l'espace de quelques minutes qui sont fonctionnelles immédiatement après avoir été implantées chez des moutons. Les scientifiques appellent leur méthode "Focused Rotary Jet Spinning", qu'ils décrivent comme "une machine à barbe à papa avec un sèche-cheveux derrière". Bien que des études in vivo à long terme soient nécessaires pour tester l'endurance des valves, elles ont efficacement contrôlé le flux sanguin pendant une heure chez les moutons. Le prototype paraît le 7 juin dans la revue Matter.

"Les deux grands avantages de notre méthode sont la vitesse et la fidélité spatiale", explique le bio-ingénieur Michael Peters de l'Université de Harvard, l'un des premiers auteurs de l'étude. "Nous pouvons créer de très petites fibres - à l'échelle nanométrique - qui imitent la matrice extracellulaire dans laquelle les cellules des valves cardiaques sont habituées à vivre et à se développer, et nous pouvons faire tourner des valves complètes en quelques minutes, contrairement aux technologies actuellement disponibles qui peuvent prendre des semaines ou des mois à fabriquer. "

Les valves cardiaques pulmonaires sont constituées de trois feuillets partiellement superposés qui s'ouvrent et se ferment à chaque battement de cœur. Ils sont responsables du contrôle du flux sanguin à sens unique dans le cœur; à chaque battement, ils s'ouvrent complètement pour permettre au sang de couler vers l'avant, puis se referment complètement pour empêcher le sang de couler vers l'arrière.

Pour fabriquer les valves, les chercheurs utilisent des jets d'air pour diriger le polymère liquide sur un cadre en forme de valve, ce qui donne un maillage homogène de minuscules fibres. Les valves sont conçues pour être temporaires et régénératives : elles fournissent un échafaudage poreux sur lequel les cellules peuvent s'infiltrer, s'appuyer et éventuellement remplacer à mesure que le polymère se biodégrade.

"Les cellules fonctionnent à l'échelle du nanomètre, et l'impression 3D ne peut pas atteindre ce niveau, mais la rotation par jet rotatif focalisé peut y mettre des repères spatiaux à l'échelle du nanomètre, de sorte que lorsque les cellules rampent dans cet échafaudage, elles ont l'impression d'être dans une valve cardiaque, pas un échafaudage synthétique", explique l'auteur principal et bio-ingénieur Kit Parker de l'Université de Harvard. "Il y a une certaine supercherie qui est impliquée."

L'équipe a testé la force, l'élasticité et la capacité des valves à s'ouvrir et à se fermer à plusieurs reprises à l'aide d'un duplicateur d'impulsions, une machine qui simule le rythme cardiaque.

"Une valve cardiaque normale fonctionne pendant des milliards de cycles tout au long de la vie, elle est donc constamment tirée, étirée et stimulée", explique Peters. "Ils doivent être très élastiques et conserver leur forme malgré ces stimuli mécaniques, et ils doivent également être suffisamment solides pour résister aux contre-pressions du sang essayant de refluer."

Ils ont également cultivé des cellules cardiaques sur les valves pour tester la biocompatibilité et voir dans quelle mesure les cellules pouvaient infiltrer les échafaudages. "Les valves sont en contact direct avec le sang, nous devons donc vérifier que le matériau ne provoque pas de thrombose ou d'obstruction des vaisseaux sanguins", explique la biophysicienne Sarah Motta, autre première auteure de l'étude, qui travaille à l'Université de Harvard et à l'Université de Zurich.

Enfin, les chercheurs ont testé la fonctionnalité immédiate des valves chez les moutons, qui sont un bon modèle animal pour plusieurs raisons : les forces physiques à l'intérieur des cœurs des moutons et des humains sont similaires, et les cœurs de moutons représentent également un environnement « extrême » pour les valves cardiaques en raison du métabolisme accéléré du calcium des moutons, qui présente un risque accru de développer des dépôts de calcium, une complication fréquente chez les receveurs de valves cardiaques.

Les chirurgiens ont implanté les valves dans deux moutons et ont surveillé leur position et leur fonction à l'aide d'ultrasons pendant une heure. Les deux valves ont été implantées avec succès et ont été immédiatement fonctionnelles, mais une valve de mouton s'est délogée après quelques minutes - les chercheurs pensent que cela s'est produit parce qu'elle n'était pas de la bonne taille pour l'animal. Chez le deuxième mouton, la valve a montré une bonne fonctionnalité pendant une heure, et l'analyse post-mortem a indiqué qu'il n'y avait pas de complications en termes de déchirures ou de formation de thrombus et que les cellules avaient déjà commencé à s'infiltrer et à adhérer à la valve.

Ensuite, l'équipe prévoit de tester les performances des vannes sur une plus longue durée et sur plus de moutons. "Nous voulons voir dans quelle mesure nos valves fonctionnent sur une échelle de plusieurs semaines à plusieurs mois, et avec quelle efficacité et rapidité les cellules et les tissus du mouton remodèlent réellement l'échafaudage", explique Peters.

"C'est un travail de longue haleine que de développer quelque chose qui va entrer dans un patient humain, et cela devrait être long", déclare Parker. "Vous devez faire beaucoup d'animaux avant de mettre quelque chose dans un humain."

Plus d'information: Kevin Kit Parker, Fabrication de valvules cardiaques à la demande à l'aide de la filature à jet rotatif focalisé, Matter (2023). DOI : 10.1016/j.matt.2023.05.025. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00243-6