Communauté de recherche «Zurich Heart»

Camouflage-bio pour les pompes cardiaques artificielles

4 mai 2017 | MARTINA PETER

En Europe, dix millions de personnes souffrent d'insuffisance cardiaque et nombre d'entre elles ont besoin d'une greffe du coeur. Les pompes cardiaques artificielles permettent de suppléer la fonction de pompage du coeur pour les patients en attente de greffe. Toutefois le système immunitaire de l'homme reconnait ces pompes et se défend contre elles. L'Empa travaille, au sein de la communauté de recherche «Zurich Heart», à la résolution de ce problème.

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Source: iStock

Les pompes cardiaques artificielles présentent des risques: elles peuvent conduire à la formation de caillot susceptibles de provoquer des embolies pulmonaires ou cérébrales et des réactions immunitaires parce que le corps rejette ce matériau qui lui est étranger. Afin de résoudre ce problème et d'autres encore que posent les coeurs artificiels, l'Hôpital universitaire de Zurich a lancé en 2011 en commun avec l'Université de Zurich et l'EPFZ, sous l'égide du consortium de recherche Hochschulmedizin Zürich, le projet Zurich Heart. Ce consortium réunit actuellement 75 médecins, ingénieurs, biologistes et scientifiques des matériaux. Zurich Heart se consacre au perfectionnement des pompes cardiaques actuelles et aussi au développement de solutions totalement nouvelles et originales. Ce projet, dont l'objectif ambitieux est le développement d'un coeur artificiel totalement implantable, associe les compétences élevées de scientifiques de près de 20 groupes de recherche de Suisse ainsi que du Deutsches Herzzentrum Berlin.

En tant qu'institut de recherche sur les matériaux, l'Empa était prédestinée pour proposer ici des solutions novatrices. «Nous désirons fabriquer une pompe cardiaque artificielle dont le fonctionnement soit similaire à celui du coeur humain avec des surfaces internes recouvertes de cellules propres du patient», explique Edoardo Mazza qui est chef du Laboratoire intégrité mécanique et systèmes énergétiques de l'Empa, professeur à l'EPFZ et co-directeur du projet Zurich Heart.

Deux équipes de l'Empa contribuent à la réalisation de cette pompe cardiaque artificielle «invisible» pour le système de coagulation et le système immunitaire, l'une dans le domaine de la biotechnologie et des interface et l'autre dans celui des textiles.

Textiles et tissus humains
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Le camouflage parfait de la membrane de la pompe nécessite deux couches de cellules: des cellules musculaires lisses qui se nichent à l'intérieur du non-tissé lui-même et qui forment la structure porteuse des cellules endothéliales en surface qui elles simulent la paroi interne des vaisseaux sanguins.

Mais qu'est-ce que les textiles ont affaire avec les organes humain? Plus que l'on ne pourrait le supposer à première vue. Ne parle-t-on pas de tissus humain, de fibres musculaires qui peuvent se rompre? Les veines et les artères ne sont-elles pas en fait des fibres creuses dans lesquelles le sang circule? «Le développement des textiles n'a aujourd'hui plus rien affaire avec les T-Shirts en coton et autres objets de ce genre», déclare aussi René Rossi, qui dirige le laboratoire ««Biomimetic Membranes and Textiles» de l'Empa. Un textile est une structure bidimensionnelle obtenue à partir d'un matériau unidimensionnel – une fibre. Ceci peut être un non-tissé, un tricot ou encore un tissu. «Théoriquement il n'existe aucune limite quant au matériaux et aux propriétés», comme l'exprime Rossi. Les fibres peuvent être en métal, en bois ou en polymères. On obtient alors avec elles des textiles ou des structures qui sont déformables, extensibles et légères, pour ne citer que quelques-unes de leurs propriétés.»

Un des problèmes principaux des pompes cardiaques actuelles est que le sang peut commencer à se coaguler à leur contact. Il se forme parfois des caillots qui peuvent se déplacer dans le corps et provoquer des accidents vasculaires cérébraux ou des embolies. Si l'on parvenait à appliquer sur les parois de la pompe cardiaque artificielle un revêtement que le sang considèrerait comme un environnement «naturel», on pourrait ainsi – telle est du moins l'hypothèse posée – prévenir la formation de caillots.

Les parois internes des vaisseaux sanguins sont tapissées d'une couche de cellules endothéliales qui assurent la régulation des échanges entre le sang et les tissus corporels. Les scientifiques de l'Empa travaillent actuellement sur un non-tissé ultra-mince de fibres polymères adhérant entre elles qu'ils colonisent avec des cellules endothéliales telles que celle qu'on trouve dans tous les vaisseaux sanguins et lymphatiques. Une telle surface textile pourrait faire croire au sang que la pompe est un organe propre du corps. Pour que les cellules endothéliales «se sentent parfaitement à l'aise» sur ce textile artificiel, il faut qu'elles puissent bien s'ancrer dans le non-tissé; un non tissé conventionnel en fibres polymères ne serait guère approprié.

Electrofilage et cellules vivantes
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Dr. Giuseppino Fortunato (deuxième à droite) avec son équipe. Source: Swiss Textiles.

C'est là que l'installation d'électrofilage de l'Empa entre en jeu. Cette installation permet de produire des fibres polymères, autrement dit purement organiques, ainsi que des fibres hybrides d'un diamètre inférieur à un micromètre. Ces fibres peuvent servir à réaliser des membranes novatrices pour des applications en technique médicale, en technique de catalyse et en technique de filtration. Le principe de fonctionnement est le suivant: une tension électrique est appliquée entre une canule dans laquelle est pressée une solution de polymère et une contre électrode. Le champ électrique provoque un tourbillonnement des fibres qui conduit à la formation d'une membrane textile. Lorsqu'on la tient dans les mains, elle donne l'impression d'un chiffon très fin et élastique. «La membrane de la pompe cardiaque doit être stable, résistante et extensible dans toues les directions» explique Giuseppino Fortunato du laboratoire «Biomimetic Membranes and Textiles. «Elle doit de plus pouvoir supporter en permanence de fortes sollicitations.» Parce que finalement ce coeur artificiel doit battre environ 100000 fois par jour.

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Katharina Maniura. Photographer: Mareycke Frehner

Dans un incubateur on peut alors réaliser des textiles mixtes formés de fibres et de cellules. C'est ce dont se chargent les scientifiques de l'équipe «Biointerface» de Katharina Maniura. Ils utilisent pour cela des cellules musculaires lisses qui forment une structure cellulaire sur la membrane textile, tout comme dans les vaisseaux sanguins naturels. C'est ce «support» que les cellules endothéliales doivent venir coloniser. Les cellules endothéliales se sentent particulièrement bien si elles trouvent un support qui leur rappelle des structures propres du corps, plus précisément des fibres de collagène comme celles du tissu conjonctif. «Nous devons amener les cellules musculaires lisses à produire du collagène sur lequel les cellules endothéliales adhèrent durablement». Et elle explique encore: «Si le tissu est formé de deux types de cellules, celles-ci envoient des signaux et communiquent entre elles. Cela a aussi pour effet que les cellules endothéliales se stabilisent à la surface de la membrane et assument alors bien volontiers leurs fonctions naturelles.» Pour rendre les fibres polymères produites par électrofilage particulièrement attrayantes pour les cellules, il faut encore les fonctionnaliser avec des peptides d'adhésion cellulaire. Cela afin de «présenter» tant aux cellules endothéliales qu'aux cellules des fibres musculaires leur environnement naturel typique pour que l'ensemble de cette structure demeure vivant aussi longtemps que possible.

Le système de matériaux testé dans un bioréacteur

Pour connaître si l'ensemble fonctionne en pratique, on le soumet à des tests dans un bioréacteur. Dans celui-ci, le système de matériaux, soit la paroi de la pompe en élastomère synthétique développée par toutes les équipes de Zurich Heart revêtue du matériau cellules-textile de l'Empa, est testée dans des conditions «réelles». Le réacteur reproduit les conditions régnant dans le corps humain en y faisant pulser un liquide renfermant une culture de cellules au lieu de sang qui simule les pulsations et imite les mouvements du muscle cardiaque. Ceci devrait permettre aux chercheurs de savoir si ces matériaux «camouflés» supportent les sollicitations élevées dans le corps humain. «Nous procéderons cette année encore à une étude avec les premiers prototypes de cette pompe cardiaque biomimétique. Il faudra toutefois encore de nombreuses années avant qu'elle puisse être utilisée en clinique», estime Mazza. La pompe devra être colonisée avec les cellules propres du patient. Pour cela on prélèvera sur lui des cellules sanguines, des cellules des vaisseaux et du tissu adipeux que l'on fera croître en laboratoire durant deux à trois semaines pour ensuite implanter la pompe revêtue de sa couche d'endothélium. «Ce principe est toutefois trop lent pour les opérations d'urgence», précise Mazza. Mais sur les patients souffrant d'insuffisance cardiaque, cette pompe biomimétique pourrait soulager le muscle cardiaque d'une manière telle qu'il puisse même se régénérer de lui-même. En quelque sorte une aide pour aider le coeur à s'aider lui-même.

Informations

Prof. Dr. René Rossi
Biometric Membranes and Textiles
Tél +41 58 765 7765

Dr. Giuseppino Fortunato
Biomimetic Membranes and Textiles
Tél +41 58 765 7677

Dr. Katharina Maniura
Biointerfaces
Tél +41 58 765 7447

Prof. Dr. Edoardo Mazza
Mechanical Integrity of Energy Systems
Tél +41 58 765 4119 or
Tél +41 44 632 5574


Rédaction / Contact Médias
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