Des artères artificielles pour mieux étudier des maladies

Petits chemins sin­ueux ou autoroutes san­guines, les vais­seaux sont des élé­ments essen­tiels de la biolo­gie. Longtemps con­sid­érés comme de sim­ples tuyaux poreux par la phys­i­olo­gie, ils s’avèrent impliqués dans de com­plex­es mécan­ismes à la fois physiques et biochim­iques que l’équipe d’Abdul Barakat étudie dans le Lab­o­ra­toire d’hydrodynamique (Lad­HyX).

Nous dévelop­pons des artères et vais­seaux arti­fi­ciels pour étudi­er la for­ma­tion de phénomènes biologiques, comme les mal­adies, à dif­férentes échelles. Il s’agit de pren­dre en compte une dimen­sion sou­vent nég­ligée par la biolo­gie mod­erne : la mécanique des flu­ides dans les artères. Nous avons ain­si imag­iné deux mod­èles, qui s’adaptent et s’inscrivent à de mul­ti­ples ques­tions médicales. 

Le pre­mier est for­mé à par­tir d’une base d’hydrogel de col­lagène for­mant un tube de 3 mil­limètres de diamètre interne et 4,5 mil­limètres de diamètre externe. On y intro­duit des cel­lules mus­cu­laires liss­es et des cel­lules endothéliales, qui for­ment les artères naturelles. On obtient ain­si des vais­seaux arti­fi­ciels ressem­blant forte­ment à une artère coro­n­aire, qui ali­mente le cœur en oxygène. Ce mod­èle représente un régime d’écoulement à très haute pres­sion, avec du cisaille­ment. Il est des­tiné à étudi­er la mal­adie coro­nar­i­enne (athérosclérose).  

Afin de car­ac­téris­er la réponse cel­lu­laire aux fac­teurs mécaniques induits, il est pos­si­ble d’y associ­er des sys­tèmes d’imagerie à haute réso­lu­tion, comme de la micro­scopie à flu­o­res­cence con­fo­cale, mais égale­ment des cap­teurs d’impédance. En dis­posant ces cap­teurs sur la paroi de nos artères arti­fi­cielles, nous pro­duisons une véri­ta­ble spa­tial­i­sa­tion qui rend compte de la dynamique cel­lu­laire engagée. Cette approche per­met de ren­dre compte de la dynamique des répons­es cel­lu­laires ou d’interactions entre les dif­férents types de cel­lules de la paroi vasculaire. 

Ce sys­tème est, par exem­ple, déployé en col­lab­o­ra­tion avec le CHU de Lille afin de mesur­er la pro­duc­tion et dis­tri­b­u­tion du fac­teur Wille­brand impliqué dans la for­ma­tion des throm­boses, ces bou­chons des vais­seaux san­guins. Il per­met égale­ment, à l’Université New South Wales de Syd­ney d’étudier l’effet des tur­bu­lences sur les parois artérielles et à l’EFS de Stras­bourg, la for­ma­tion des pla­que­ttes dans le sang.

Au sein du Lad­hyx, il nous aide à com­pren­dre la cica­tri­sa­tion d’un vais­seau lors de la pose d’un stent, ces petits ressorts qui per­me­t­tent de cor­riger un rétré­cisse­ment vas­cu­laire. La procé­dure peut endom­mager les cel­lules endothéliales qui tapis­sent la lumière des vais­seaux. Cela pro­duit un nou­veau risque de sténose, d’affaissement des parois. En antic­i­pant les car­ac­téris­tiques de la cica­tri­sa­tion pour chaque type de stents, nous espérons éviter ce phénomène ¹.

Le sec­ond type de mod­èle, tou­jours d’une base d’hydrogel de col­lagène, présente des diamètres de 120 à 150 µm ² et per­met de représen­ter des mal­adies microvas­cu­laires comme l’hypertension ou la mal­adie d’Alzheimer. Dans le cas de la mal­adie d’Alzheimer, on con­sid­ère sou­vent cette patholo­gie cérébrale comme une mal­adie provo­quée par le com­porte­ment anor­mal de pep­tides (tau ou β‑amyloïde). Mais cette représen­ta­tion n’a pas per­mis de pro­duire de réelles avancées clin­iques mal­gré des investisse­ments impor­tants au cours des dernières décen­nies. Désor­mais, émerge l’idée que la mal­adie d’Alzheimer peut résul­ter d’un trou­ble microvas­cu­laire. Des lab­o­ra­toires ont mon­tré une cor­réla­tion entre cette mal­adie et une hypop­er­fu­sion cérébrale, c’est-à-dire une cir­cu­la­tion san­guine anor­male dans le cerveau. 

Il est pos­si­ble, dans cer­tains mod­èles ani­maux, de manip­uler la per­fu­sion du cerveau. On observe alors une dégénéra­tion de neu­rones et une accu­mu­la­tion des pep­tides incrim­inés dans la mal­adie d’Alzheimer. On sus­pecte donc qu’une anom­alie de fac­teurs mécaniques par­ticipe au développe­ment de la mal­adie, voire l’initie. Nos mod­èles per­me­t­tent d’étudier cette ques­tion en représen­tant un vais­seau dans sa com­plex­ité, avec les dif­férents types de cel­lules qui le con­stituent ou qui lui sont asso­ciés dans le cerveau. Nous pou­vons même faire vari­er la com­po­si­tion cel­lu­laire afin de représen­ter dif­férentes sit­u­a­tions biologiques.

D’une manière générale, nos mod­èles ouvrent à l’étude des effets biologiques des forces mécaniques. On sait que de tels fac­teurs peu­vent mod­i­fi­er l’expression de pro­téines. Il existe donc une dimen­sion d’interactions mécani­co-biochim­ique que nous cher­chons à explorer.

Propos recueillis par Agnès Vernet