Un bioréacteur multi-cue pour évaluer la capacité inflammatoire et régénératrice des biomatériaux sous écoulement et étirement

L’ingénierie tissulaire cardiovasculaire (TE) est poursuivie comme une option de traitement alternative aux prothèses cardiovasculaires permanentes actuellement utilisées (par exemple, greffes vasculaires, remplacements de valves cardiaques), qui sont sous-optimales pour de grandes cohortes de patients^1,2,3,4. Les applications très recherchées comprennent les greffes vasculaires d’ingénierie tissulaire (TEVG)^5,6 et les valves cardiaques (TEHV)^7,8. Le plus souvent, les méthodologies d’ÉT cardiovasculaire utilisent des biomatériaux résorbables (naturels ou synthétiques) qui servent d’échafaudage instructif pour la formation du nouveau tissu. La formation de nouveaux tissus peut soit être conçue complètement in vitro, en ensemencant l’échafaudage avec des cellules et en le cultivant dans un bioréacteur avant l’implantation (TE in vitro)^9,10,11, soit directement in situ, dans laquelle l’échafaudage synthétique est implanté sans pré-culture afin d’induire la formation de nouveaux tissus directement dans le corps (TE in situ)^12,13,14. Pour les approches cardiovasculaires TE in vitro et in situ, la régénération fonctionnelle réussie dépend principalement de la réponse immunitaire de l’hôte à la construction implantée et de la charge biomécanique appropriée.

L’importance de la charge biomécanique pour les TE cardiovasculaires est bien reconnue¹⁵. Dans le cas des implants cardiovasculaires, les cellules qui peuplent l’échafaudage sont exposées à des contraintes d’étirement et de cisaillement cycliques résultant de l’environnement hémodynamique. De nombreuses études ont rapporté l’effet stimulant de l’étirement (cyclique) sur la formation de composants de la matrice,tels que le collagène¹⁶,^17,18^,19, glycosaminoglycanes (GAGs)²⁰, et^{l’élastine 21,22}, par divers types de cellules. Par exemple, Huang et al. ont démontré que l’étirement biaxial élevait le dépôt et l’organisation du collagène et de l’élastine dans les TEVG in vitro en utilisant un bioréacteur vasculaire^23. Bien que l’accent soit généralement mis sur l’étirement en tant que charge dominante, ces études utilisent souvent des bioréacteurs pilotés par écoulement dans lesquels l’échantillon est également exposé à un écoulement de cisaillement. Bien que l’on sache relativement peu de choses sur l’influence isolée des contraintes de cisaillement sur la formation des tissus et l’inflammation en 3D, certaines données sont disponibles. Par exemple, Hinderer et al. et Eoh et al. ont démontré que le flux de cisaillement, en plus d’une microstructure d’échafaudage 3D, était important pour la formation d’élastine mature par les cellules musculaires lisses vasculaires humaines dans un système de modèle in vitro^24,25. Dans l’ensemble, ces résultats illustrent la pertinence de l’étirement cyclique et du stress de cisaillement pour l’ET cardiovasculaire.

Un autre déterminant important du succès ou de l’échec des implants TE est la réponse immunitaire de l’hôte au greffon implanté²⁶. Ceci est particulièrement important pour les stratégies TE in situ axées sur les matériaux, qui reposent en fait sur la réponse inflammatoire aiguë à l’échafaudage pour lancer les processus ultérieurs d’afflux cellulaire et de formation et de remodelage des tissus endogènes²⁷. Le macrophage est un initiateur critique de la régénération fonctionnelle des tissus, ce qui a été démontré par de multiples études^28,29,30. Analogue à la cicatrisation des plaies, la régénération des tissus est régie par la signalisation paracrine entre les macrophages et les cellules productrices de tissus telles que les fibroblastes et les myofibroblastes^31,32,33. En plus de coordonner les nouveaux dépôts tissulaires, les macrophages sont impliqués dans la résorption active des échafaudages étrangers^34,35. A ce titre, la réponse in vitro des macrophages à un biomatériau a été identifiée comme un paramètre prédictif du succès in vivo des implants^36,37,38.

La réponse des macrophages à un échafaudage implanté dépend des caractéristiques de conception de l’échafaudage telles que la composition du matériau et la microstructure^35,39,40. En plus des propriétés de l’échafaudage, la réponse des macrophages à un échafaudage et leur diaphonie avec les myofibroblastes sont également affectées par les charges hémodynamiques. Par exemple, l’étirement cyclique s’est avéré être un modulateur important du phénotype des macrophages^41,42,^43,44 et de la sécrétion de cytokines 43 ,^44,45,46 dans les échafaudages électrospunés 3D. En utilisant un système de co-culture de macrophages et de cellules musculaires lisses vasculaires, Battiston et al. ont démontré que la présence de macrophages entraînait une augmentation des niveaux d’élastine et de GAG et que des niveaux modérés d’étirement cyclique (1,07-1,10) stimulaient le dépôt de collagène I et d’élastine^47. Dans des travaux antérieurs, nous avons démontré que le stress de cisaillement est un déterminant important pour le recrutement des monocytes dans les échafaudages électro filés^{3D 48,49}, et que le stress de cisaillement et l’étirement cyclique ont un impact sur la signalisation paracrine entre les monocytes humains et les cellules stromales mésenchymateuses⁵⁰. Fahy et al. ont démontré que le flux de cisaillement augmentait la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires par les monocytes humains^51.

Pris ensemble, les preuves ci-dessus montrent qu’une compréhension et un contrôle adéquats des charges hémodynamiques sont cruciaux pour l’ÉT cardiovasculaire, et qu’il est important de prendre en compte la réponse inflammatoire pour y parvenir. De nombreux bioréacteurs ont été décrits précédemment pour la culture in vitro^{52,53,54,55,56,57,58} ou ex vivo^59,60,61 de tissus cardiovasculaires. Cependant, tous ces systèmes sont conçus pour imiter autant que possible les conditions physiologiques de charge hémodynamique. Bien que cela soit très utile dans le but de créer des tissus cardiovasculaires in vitro ou de maintenir des cultures ex vivo, de tels systèmes ne permettent pas d’études systématiques sur les effets individuels d’indices individuels. En effet, l’application de la contrainte d’étirement et de cisaillement cyclique dans ces bioréacteurs est entraînée par le même écoulement sous pression, qui les lie intrinsèquement. Alors que des microsystèmes permettant une manipulation mécanique multi-signaux précise ont été décrits pour les substrats^{2D 62} ou les configurations d’hydrogel 3D^63,64, de telles configurations ne permettent pas l’incorporation d’échafaudages de biomatériaux élastomères 3D.

Nous présentons ici l’application d’un système de bioréacteur tubulaire qui permet de manière unique le découplage de la contrainte de cisaillement et de l’étirement cyclique et aide à étudier mécaniquement leurs effets individuels et combinés. Ce système permet de tester une grande variété de greffes vasculaires d’ingénierie tissulaire (par exemple, origine synthétique ou naturelle, micro-architecture différente, porosités diverses). Pour découpler efficacement l’application de la contrainte de cisaillement et de l’étirement, les concepts clés utilisés par le bioréacteur sont (1) la séparation du contrôle de la contrainte de cisaillement et de l’étirement à l’aide de systèmes de pompage distincts et (2) la stimulation des échafaudages de manière « à l’envers » avec des dimensions pilotées par calcul. L’écoulement est appliqué sur la surface extérieure de l’échafaudage tubulaire à l’utilisation d’une pompe à débit, tandis que l’étirement circonférentiel de l’échafaudage est induit par l’expansion d’un tube en silicone sur lequel l’échafaudage est monté à l’utilisation d’une pompe de contrainte séparée. Les dimensions du tube en silicone et du tube en verre qui contient la construction sont soigneusement choisies et validées à l’aide de simulations computationnelles de la dynamique des fluides, afin de s’assurer que la contrainte de cisaillement sur l’échafaudage (due à l’écoulement) et l’étirement circonférentiel (dû à l’expansion du tube) ne s’affectent pas de manière significative. Cette conception à l’envers a plusieurs justifications pratiques. Si l’étirement est appliqué par la pression du fluide luminal (similaire à la charge physiologique), il nécessite intrinsèquement que le plan d’échantillonnage soit exempt de fuites. De plus, la pression requise pour étirer l’échantillon serait entièrement déterminée par la rigidité de l’échantillon, qui peut varier d’un échantillon à l’autre et à l’intérieur d’un échantillon au fil du temps, ce qui rend difficile le contrôle de l’étirement. Ce bioréacteur monte la greffe de tissu autour d’un tube en silicone et permet l’application de contraintes de cisaillement de la paroi (WSS) sur la paroi externe de la greffe et met la greffe sous pression de l’intérieur. De cette façon, des conditions de charge égales entre les échantillons et à l’intérieur des échantillons au fil du temps peuvent être assurées, et de plus, les échantillons sont autorisés à fuir, comme c’est le cas pour les échafaudages vasculaires poreux¹⁹. Ce bioréacteur à l’envers est spécifiquement destiné à des études systématiques sur les effets du cisaillement et / ou de l’étirement, plutôt qu’à l’ingénierie d’un vaisseau sanguin de type natif in vitro, pour lequel les configurations de bioréacteur vasculaire traditionnelles sont plus appropriées. Voir la figure 1A–B pour les dessins de conception du bioréacteur et le tableau 1 correspondant pour une description fonctionnelle et une justification des principaux composants du bioréacteur.

L’utilisation du bioréacteur est démontrée sur la base d’une série d’études récentes de notre groupe dans lesquelles nous avons étudié les influences individuelles et combinées du stress de cisaillement et de l’étirement cyclique sur l’inflammation et la formation de tissus dans des échafaudages électrospunables résorbables pour les tissus cardiovasculaires in situ^19,43,44. À cette fin, nous avons utilisé des macrophages humains et des myofibroblastes en monoculture ou en co-culture pour simuler les différentes phases de la cascade régénérative in situ. Nous avons démontré que la sécrétion de cytokines par les macrophages humains est nettement affectée par l’étirement cyclique et la contrainte de cisaillement, affectant le dépôt et l’organisation de la matrice par les myofibroblastes humains dans ces échafaudages, à la fois via la signalisation paracrine et le contact direct^19,43,44. Notamment, ces études ont révélé que dans le cas de l’application combinée de contrainte de cisaillement et d’étirement, les effets sur la formation tissulaire et l’inflammation sont soit dominés par l’une des deux charges, soit il existe des effets synergiques des deux charges. Ces résultats illustrent la pertinence du découplage des deux charges pour mieux comprendre la contribution de l’environnement mécanique sur les processus TE. Cette compréhension peut être appliquée pour optimiser systématiquement les paramètres de conception des échafaudages dans les régimes de charge hémodynamique pertinents. En outre, les données mécanistes de ces environnements bien contrôlés peuvent servir d’entrée pour des modèles numériques en cours de développement pour prédire l’évolution du remodelage tissulaire in situ, comme cela a été récemment rapporté pour les TEVG⁶⁵ ou TEHV^66,afin d’améliorer encore la capacité prédictive.