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