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Les petits vaisseaux sanguins artificiels sont censés offrir de l'espoir aux patients ayant subi un pontage cardiaque. Le problème est que ces minuscules vaisseaux synthétiques ont tendance à se boucher. Maintenant, ingénieur biomédical Donald Elbert et son équipe à l'Université de Washington, à St. Louis, ont développé un nouveau matériau conçu pour amener le corps à construire des vaisseaux à partir de ses propres cellules.
Les bio-ingénieurs de l'Université de Washington imaginent que le gel illustré ici résoudra un jour un problème de coagulation dans les petits vaisseaux sanguins artificiels. Le gel, composé de fragments de protéines (rectangles bleus), d'albumine de protéines sanguines (touffes grises), d'un lipide de signalisation (taches jaunes) et d'un polymère synthétique (étoiles bleues), attirerait les cellules endothéliales (grosse masse), qui tapissent l'homme vaisseaux sanguins, pour coloniser l'intérieur des vaisseaux artificiels.
La racine du problème de colmatage est la thermodynamique, dit Elbert. Lorsqu'un vaisseau est fait de téflon modifié - ou de tout autre élément que les propres cellules du corps - les protéines de coagulation présentes dans le sang heurtent les parois du vaisseau, se collent, se déplient et deviennent actives, déclenchant des réactions de coagulation. Les caillots sont trop petits pour bloquer les gros vaisseaux et, en fait, les aortes en téflon sont courantes. Mais dans les vaisseaux de moins de six millimètres de diamètre, les caillots font des sabots. Par conséquent, les patients ayant subi un pontage cardiaque ne peuvent pas recevoir de petits implants de vaisseaux artificiels. Au lieu de cela, de petits vaisseaux doivent être prélevés dans le corps du patient afin que le sang puisse être réacheminé. Il s'agit d'une intervention chirurgicale supplémentaire et, éventuellement, le patient peut manquer de vaisseaux à récolter.
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ANIMATION : Cellules endothéliales sur gel
La solution d'Elbert est un nouveau revêtement pour l'intérieur des vaisseaux artificiels. Il est principalement composé de substances présentes dans le corps humain. Le polyéthylène glycol, le seul ingrédient synthétique, est un polymère à plusieurs bras utilisé dans les dentifrices et les shampooings. Lorsqu'il est exposé au sang, il repousse presque toutes les protéines de la coagulation qui tentent de s'y coller. L'albumine, une protéine du sang, est incluse pour attacher les polyéthylèneglycols ensemble. Les bras du polyéthylène glycol sont liés à deux ingrédients biologiquement actifs. L'un des ingrédients est un fragment de protéine qui agit comme du velcro, liant les cellules endothéliales, qui tapissent les vaisseaux sanguins humains, à la doublure artificielle. L'autre ingrédient bioactif est une enzyme présente dans le sang qui peut extraire une substance grasse, ou lipide, de la circulation sanguine et la convertir en un lipide appelé sphingosine-1-phosphate qui envoie des signaux de croissance et de survie aux cellules endothéliales.
Faire la concoction est simple, dit Elbert. Tous les ingrédients sont mélangés dans de l'eau et laissés une nuit. Au matin, ils forment un gel.
Elbert imagine qu'un greffon synthétique doublé du revêtement pourrait ensuite être cousu dans un vaisseau sanguin existant. Le polyéthylène glycol repousserait la plupart des protéines de coagulation pendant un certain temps. Pendant ce temps, l'enzyme fabriquerait et libérerait le lipide qui signale les cellules endothéliales, les encourageant à se développer sur les bords du greffon. Les fragments de protéines maintiendraient les cellules à la surface. Le gel libérerait plus de lipides, signalant aux cellules de se diviser et de coloniser. Après un mois ou deux, toute la surface interne du greffon serait, espérons-le, recouverte d'une couche de cellules, dit Elbert. Les cellules exsuderaient des produits chimiques pour entraver la coagulation, comme elles le font naturellement dans le corps.
D'autres chercheurs combattent le problème de la coagulation de différentes manières, note Elbert. Beaucoup de gens essaient de fabriquer des vaisseaux sanguins par ingénierie tissulaire, dit-il. Les ingénieurs tissulaires prélèvent les cellules des vaisseaux d'un patient, les font croître sur un tube poreux et nourrissent la structure jusqu'à ce qu'elle soit suffisamment solide pour être réimplantée. Les caillots ne bouchent pas ces vaisseaux car ils sont tapissés de cellules endothéliales. Cela fonctionne, dit Elbert. Mais la croissance d'un vaisseau sanguin humain dans un laboratoire est lente et incroyablement coûteuse. Et les vaisseaux peuvent être fragiles – le flux sanguin peut arracher les cellules, provoquant la coagulation. D'autres ont essayé de fabriquer des récipients synthétiques à partir de matériaux résistants aux caillots. Ceux-ci sont bon marché et robustes. Et ils résistent aux caillots pendant un certain temps. Mais après plusieurs années, ils peuvent se boucher. Aucune de ces méthodes n'a pleinement réussi chez les animaux.
Contrairement à d'autres alternatives, dit Elbert, les vaisseaux revêtus du matériel de son équipe seraient bon marché, faciles, durables, non coagulants et non immunogènes. Jusqu'à présent, son gel a passé avec succès quelques tests initiaux en laboratoire. Les cellules endothéliales migrent rapidement sur le gel. Les cellules s'y collent, même à l'intérieur d'une chambre à circulation, qui simule la force de cisaillement du flux sanguin.
Elbert ajoute que le gel de son équipe peut également aider le corps à développer de nouveaux réseaux de vaisseaux. Les membranes d'œufs de poule traitées avec lui ont développé de nouvelles toiles de vaisseaux. On pourrait imaginer mettre le matériau à côté du cœur après une crise cardiaque, permettant au lipide de se diffuser dans la paroi cardiaque et de former de nouveaux vaisseaux qui aideraient le cœur à survivre, dit-il.
Il est bien trop tôt pour savoir comment les vaisseaux ou le gel d'Elbert se comporteront dans le corps humain, prévient Robert Langer , professeur de génie chimique et biologique au MIT. De nombreuses formulations ont semblé prometteuses en laboratoire, mais ont échoué chez les animaux, dit-il. La clé réside dans les études sur les animaux, en particulier sur les porcs.
La sécurité est également une préoccupation, ajoute Omolola Eniola-Adefeso , professeur adjoint de génie chimique à l'Université du Michigan. Elle craint que le lipide d'Elbert, qui envoie de nombreux signaux dans le corps, puisse perturber les processus corporels normaux.
Il faut être extrêmement prudent, convient Elbert. De grandes quantités de lipides peuvent supprimer le système immunitaire et déclencher la mort cellulaire. Il prévoit de déterminer combien il peut délivrer pour stimuler les cellules endothéliales sans surcharger. Les tests commenceront sur des animaux en 2007 et se poursuivront pendant au moins quatre ans, dit-il.
Quant au problème de la coagulation, il y a autant d'ingénieurs qui y travaillent qu'il y a de départements de bio-ingénierie à travers le pays, explique Eniola-Adefeso. Jusqu'à présent, dit-elle, l'approche d'Elbert est la plus prometteuse.