Petites machines vivantes

Dans un laboratoire du quatrième étage de l'Université Harvard, Adam Feinberg regarde à travers un microscope à faible grossissement et utilise un scalpel pour découper des triangles et des rectangles dans un polymère fin. Ce qui est impossible à voir à l'œil nu, c'est une couche de tissu cardiaque d'une seule cellule recouvrant chaque forme. Lorsque Feinberg relie la boîte de Pétri contenant les triangles et les rectangles à un stimulateur cardiaque, le tissu commence à se contracter rythmiquement et les formes prennent vie : torsion, pincement et même nage à travers une solution.

Coeur Timbres : Adam Feinberg (à gauche), postdoctorant à Harvard, et Kevin Kit Parker, professeur de génie biomédical, fabriquent de minuscules machines à partir de tissu cardiaque de rat.

Les morceaux de films minces musculaires ne mesurent que quelques millimètres de long et 30 micromètres d'épaisseur seulement ; à première vue, ils ressemblent à de petits vers que vous pourriez trouver se tortillant dans une flaque de boue. Kevin Kit Parker, le professeur de génie biomédical qui dirige le laboratoire de Harvard, plaisante en disant qu'il envisage de se retirer dans le Sud, où il a été élevé, et de les vendre comme leurres personnalisables dans un magasin d'appâts.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2008

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Mais l'expérience a des implications tout à fait sérieuses. À terme, les plaques de tissu convulsif pourraient être utilisées comme actionneurs pour de minuscules dispositifs robotiques implantés dans le corps. Les cellules musculaires seraient alimentées par le sucre dans la circulation sanguine et maintenues par les mêmes mécanismes de réparation qui maintiennent le rythme cardiaque. Parker dit que le film enduit de muscle pourrait également être utilisé pour régénérer les tissus endommagés lors de crises cardiaques. Mais de telles applications sont assez éloignées, dit-il. À plus court terme, les appareils pourraient être utilisés pour aider les chercheurs à surveiller comment les médicaments expérimentaux modifient le comportement du muscle cardiaque.

Tissu d'impression
Ce n'est pas la première fois que des chercheurs ont développé un muscle cardiaque battant dans un plat. Mais Parker et Feinberg, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Parker, ont trouvé des moyens de rendre les tissus beaucoup plus puissants, en se contractant avec la même force que le tissu cardiaque naturel.

Multimédia

• Regardez un film expliquant comment les chercheurs créent les actionneurs.

• Observez les battements du tissu cardiaque dans le temps grâce à des signaux électriques.

La fabrication des appareils commence par une technique d'impression biologique, développée par des chimistes de Harvard, qui permet de déposer des protéines en motifs microscopiques sur diverses surfaces. Parker et Feinberg utilisent cette méthode pour organiser avec précision les cellules cardiaques en tissus fonctionnels.

Le processus semble banal. Travaillant dans une hotte de laboratoire stérile, Feinberg arrange quelques morceaux de caoutchouc de silicone transparent dans une boîte de Pétri. Les morceaux sont des timbres à motifs d'un ensemble de lignes microscopiques. Le motif a été créé en moulant les timbres sur une plaquette de silicium gravée en utilisant les mêmes techniques qui produisent des micropuces. Sur chaque timbre, Feinberg injecte une encre transparente qui contient une protéine commune appelée fibronectine. Au fur et à mesure que le tampon sèche, une fine couche de protéines se forme. Tenant un tampon avec une paire de pinces, Feinberg le presse sur une lamelle de verre ronde recouverte de silicone, transférant les protéines de la partie surélevée du motif microscopique vers le film de silicone.

Une fois les modèles de protéines estampés et prêts, Feinberg plonge la lamelle dans une solution de jeunes cellules cardiaques encore en développement récoltées sur des rats. Les cellules commencent à adhérer à la fibronectine, formant des lignes ordonnées. Feinberg place ensuite les cellules et la lamelle à motifs de protéines, toujours immergées dans la solution, dans un incubateur à température corporelle. Au cours des prochains jours, les lignées de fibronectine guident l'organisation et le développement ultérieur des cellules. De longues unités contractiles semblables à des fibres commencent à se former, guidées par les cellules afin qu'elles s'alignent parallèlement aux lignes de protéines. Si elles n'étaient pas alignées de cette façon, les cellules se battraient les unes contre les autres en se contractant plutôt que de tirer dans la même direction. Les cellules alignées, cependant, se contractent toutes le long du même axe, un peu comme elles le font dans le tissu cardiaque naturel.

Lorsque Feinberg retire le tissu nouvellement développé de l'incubateur, celui-ci et le film de silicone sur lequel il est imprimé sont immobilisés par la lamelle de verre rigide. Mais à mesure qu'ils refroidissent, une colle sensible à la température qui maintient le silicone sur le verre commence à se dissoudre. Feinberg n'a que quelques minutes pour découper des formes avant que le silicone et le tissu ne flottent librement. Une fois qu'ils le font, le tissu cardiaque peut se contracter, ce qui fait que le film auquel il est ancré commence à se plier et à se tordre.

Jusqu'à présent, Feinberg a fabriqué des pompes rudimentaires, des actionneurs de torsion, des pinces, un appareil qui nage lentement et un autre qui marche au fond d'une boîte de Pétri. Une longue bande rectangulaire, découpée dans le film de manière à ce que les lignes de cellules s'étendent sur toute sa longueur, se recroqueville à chaque contraction. Un autre rectangle, coupé légèrement en biais par rapport aux alvéoles, s'enroule en tire-bouchon. La queue étroite d'une pièce triangulaire propulse la forme à travers la solution. Le comportement de ces appareils peut être contrôlé comme celui d'un cœur naturel : avec un stimulateur cardiaque. Feinberg accroche des fils électriques à la petite parabole contenant les appareils. Des salves d'électricité à basse tension traversent la solution, signalant au muscle de se contracter.

Muscles sous drogue
Un moyen pratique de mesurer l'effet des médicaments sur le tissu cardiaque consiste à déterminer la force avec laquelle le tissu traité peut se contracter. Ainsi, l'appareil susceptible d'être le plus utile à court terme est aussi l'un des plus simples : une longue bande rectangulaire de tissu qui se plie légèrement à chaque impulsion électrique. Ces dispositifs pourraient être utilisés à la fois pour cribler des médicaments destinés à agir sur le cœur et pour identifier des médicaments susceptibles d'avoir un effet néfaste sur le cœur.

Les propriétés mécaniques du silicone étant bien connues, il est possible de déterminer exactement la force exercée par le tissu cardiaque en mesurant la courbure de la bande. Si un changement est observé dans la quantité de force que les cellules peuvent exercer, c'est un signe qu'un médicament a un effet. Parker envisage un système de test de petits puits, chacun contenant une bande de silicone et de muscle cardiaque. Un tel système pourrait être utilisé pour mesurer les effets de différents composés, ou de différentes concentrations du même composé, sur la capacité du tissu cardiaque à fonctionner. Le système pourrait même être automatisé ; Feinberg a déjà développé un logiciel qui analyse la vidéo des bandes et calcule les changements dans la quantité de force exercée par le tissu.

Jusqu'à présent, les chercheurs n'ont utilisé que des cellules de rat. À terme, ils espèrent créer des outils de dépistage avec des cellules humaines, peut-être en faisant d'abord croître des cellules souches, puis en les cajolant pour qu'elles se transforment en cellules cardiaques. Ils espèrent également créer des systèmes similaires avec des cellules musculaires qui tapissent les vaisseaux sanguins, pour tester les médicaments contre l'hypertension, par exemple. Pour d'autres applications, les dispositifs devront être soit plus petits (pour les robots implantables), soit plus grands (pour les patchs qui aident à guérir les cœurs endommagés).

En fin de compte, la clé de la technologie peut être sa simplicité, qui pourrait la rendre facile à adapter à une gamme d'applications. Comme le dit Parker, nous avons mis cette technologie à l'épreuve des mannequins afin qu'elle soit facile à apprendre, à mettre en œuvre et, finalement, à déployer en clinique.

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