Résumé
L’incidence croissante de l’insuffisance cardiaque grave et les limites de la transplantation cardiaque et du cœur artificiel implantable justifient la recherche d’options alternatives. L’auto-reconstruction du cœur pourrait être l’une d’entre elles. Elle est fondée sur l’utilisation d’une matrice extra-cellulaire issue d’un cœur animal et re-ensemencée avec des cellules susceptibles de reconstituer un patrimoine contractile, vasculaire et valvulaire compatible avec une fonction cardiaque normale. Si les techniques de décellularisation sont aujourd’hui bien maîtrisées, les problèmes posés par le choix du type cellulaire capable de générer les différents constituants du tissu cardiaque (cardiomyocytes contractiles, cellules endothéliales, cellules musculaires lisses, myofibroblastes) et par leur mode de transfert optimal ne sont pas encore réglés. De plus, la recolonisation de la matrice ne dépend pas seulement du phénotype des cellules utilisées ; elle est aussi influencée par la nature des signaux biochimiques émis par cette matrice et par son état physique et la modulation de ces deux facteurs est une stratégie susceptible d’améliorer fortement les performances contractiles de l’organe ainsi auto-reconstitué. La complexité de ces problèmes fait que le remplacement complet du cœur par un biomatériau se substituant à la transplantation traditionnelle est une perspective encore incertaine et en tous cas lointaine. En revanche, la poursuite de cet objectif a l’intérêt de stimuler le développement des techniques d’ingéniérie tissulaire et, dans ce cadre, il est plus réaliste d’espérer, à une échéance sans doute assez proche, des remplacements partiels du cœur par des matrices recellularisées venant renforcer des portions de myocarde défaillant et peut-être même constituer des substituts aux bioprothèses valvulaires actuelles.
Summary
The growing incidence of heart failure and the limitations of cardiac transplantation and totally implantable artificial hearts justify the search for alternative therapies. Selfreconstruction of the heart might be one of them. It is based on the use of an animal-derived decellularized scaffold reseeded with cells able to reconstitute a contractile, vascular and valvular pattern affording normal cardiac function. Whereas decellularization techniques are currently well controlled, the choice of cell type to generate the different constituents of cardiac tissue (cardiomyocytes, endothelial cells, smooth vascular cells, myofibroblasts), and the optimal mode of cell transfer, are still far from clear. Furthermore, scaffold recolonization is not only dependent on the phenotype of the grafted cells: it is also influenced by the nature of the biochemical signals emitted by the scaffold and by the physical state of the substrate. Modulation of these two factors can influence the contractile performance of the self-rebuilt organ. The complexity of these challenges is such that total replacement of the heart by a self-built organ is at best a far-off perspective. However, continued pursuit of this objective stimulates the development of bioengineering techniques, and partial replacement of heart tissue by cell-seeded scaffolds appears more feasible. Applications could include the strengthening of infarcted myocardium and, possibly, cardiac valve replacement.
La pertinence clinique de ce concept d’organe auto-construit est illustrée par deux chiffres : en France, on dénombre chaque année environ dix mille nouveaux cas d’insuffisance cardiaque grave, c’est-à-dire réfractaire aux traitements médicamenteux actuels et il est prévisible que cette incidence continue d’augmenter avec le vieillissement de la population et l’amélioration du pronostic de l’infarctus du myocarde qui expose un plus grand nombre de survivants à la survenue différée d’une défaillance ventriculaire gauche. Le pronostic de cette pathologie demeure globalement sévère puisque 50 % des patients sont morts à quatre ans et qu’après une hospitalisation pour insuffisance cardiaque, 40 % des patients décèdent ou sont ré-hospitalisés dans l’année qui suit. Bien que la transplantation cardiaque demeure le seul traitement radical aux stades les plus avancés de la maladie, la pénurie de donneurs et les complications d’une lourde immunosuppression en limitent nécessairement les indications. De toutes façons, le nombre annuel de transplantations cardiaques en France oscille aux environ de trois cent-cinquante, sans espoir réaliste de le voir augmenter. Les interventions de remodelage chirurgical du ventricule gauche ne s’adressent qu’à des formes anatomiques particulières et les résultats négatifs, récemment rapportés, de l’étude STICH (absence de bénéfice d’un remodelage ventriculaire gauche associé au pontage coronaire par rapport à la seule revascularisation) vont sans doute conduire à revoir les indications de ce type de procédure [1]. L’assistance ventriculaire mécanique reste principalement une solution temporaire de support dans l’attente d’une transplantation même si grâce notamment à la miniaturisation des dispositifs à flux continu, son utilisation comme traitement définitif a fait récemment des progrès substantiels (taux de survie : 58 % à deux ans) [2]. Certes, la resynchronisation biventriculaire est un traitement symp- tomatique efficace mais elle ne s’adresse qu’à une catégorie ciblée de patients chez lesquels elle échoue d’ailleurs dans 20 % à 30 % des cas [3]. Enfin, il n’y a eu aucune avancée réelle dans le domaine pharmacologique au cours des dix dernières années.
Il y a donc un besoin réel d’options thérapeutiques nouvelles. Dans ce cadre, La xéno-transplantation en dépit des espoirs suscités par la possibilité technique de créer des animaux transgèniques dont les organes pourraient être mieux tolérés chez l’homme ne progresse guère en raison de la complexité des défis immunologiques persistants et le poids croissant des contraintes sécuritaires risque de rendre les autorités réglementaires encore plus méfiantes à l’égard du risque d’épizootie. La thérapie génique est encore balbutiante dans ce domaine [4] et la complexité des mécanismes neuro-hormonaux impliqués dans l’insuffisance cardiaque ne se prête pas forcément bien à une approche dont les succès, à ce jour, répondent avant tout à des maladies monogéniques. La thérapie cellulaire aura sans doute sa place, mais dans des formes intermédiaires, c’est-à-dire chez des patients qui conservent encore un capital suffisant de cellules contractiles [5]. La recherche dans ce domaine a néanmoins eu l’intérêt de mettre en lumière le rôle capital joué par les structures de soutien dans la survie, la prolifération et la différenciation des cellules greffées, ouvrant ainsi la voie à une ingéniérie tissulaire combinant cellules et matrices qui est à la base du concept d’organe auto-construit.
Problèmes techniques du cœur auto-construit
Sur le plan technique, ce concept implique deux étapes temporellement distinctes.
La première est la décellularisation de l’organe cible, réalisée avec succès par l’équipe de D. Taylor sur un cœur de rat par la perfusion de détergents chimiques [6] et plus récemment étendue par le même groupe à des cœurs de gros mammifères. L’électroporation [7] s’est également révélée efficace, du moins dans le cas du foie, pour atteindre cet objectif qui est la disparition totale de tout matériel cellulaire, pré- requis à l’utilisation potentielle d’organes allo- ou même xénogéniques, tout en maintenant l’intégrité biochimique (contenu en collagène, fibronectine, laminine) et physique (orientation des fibres) de la matrice extra-cellulaire, la perméabilité de l’arbre vasculaire et la compétence des valves.
La seconde étape, plus complexe, est celle de la recellularisation. Elle pose, schématiquement, deux problèmes : le choix des cellules et leur mode de transfert.
Le cahier des charges imposé aux cellules est en effet contraignant. Il convient d’abord de reconstituer la diversité des populations cellulaires présentes dans le cœur : cardiomyocytes qui, s’ils représentent, en volume, environ 80 % du cœur, ne constituent, en nombre, que le tiers des cellules du tissu cardiaque, les autres populations étant constituées par les myofibroblastes, les cellules endothéliales et les cellules musculaires lisses [8]. Conceptuellement, trois stratégies sont envisageables :
— l’utilisation d’une seule population de cellules pluripotentes capables de donner naissance à tous les types cellulaires du cœur sous la seule influence des signaux chimiques et physiques émis par la matrice extra-cellulaire ; cette approche paraît peu réaliste ; — l’utilisation de cellules adultes déjà différenciées dans les lignages cibles ; dans ce cadre, l’obtention de fibroblastes et de cellules vasculaires peut être relativement bien maîtrisée, d’autant qu’elles sont même prélevables chez le futur « receveur » de l’organe reconstitué (avec les limites inhérentes aux produits autologues : fonctionnalité variable, complexité logistique et coût), comme cela a pu être réalisé avec succès pour confectionner des tubes vasculaires implantés chez des patients hémodialysés [9] ; le problème est naturellement plus complexe pour obtenir des cellules cardiogéniques qui doivent non seulement posséder des propriétés intrinsèquement contractiles, mais aussi être capables de se coupler entre elles, de battre de façon synchrone et de moduler leur fréquence en réponse à des stimuli neuro-humoraux ou pharmacologiques. Or on sait aujourd’hui que la plasticité des cellules somatiques adultes est limitée et ne leur permet en tous cas pas de se différencier en cardiomyocytes. Cette propriété est le seul fait des cellules pluripotentes, capables d’acquérir un phénotype cardiaque sous l’influence de signaux cardio-inducteurs appropriés. Ces cellules pluripotentes peuvent être des cellules souches embryonnaires humaines [10] dont le caractère allogènique pose le problème du rejet (indépendamment de toute discussion éthique) [11] ou des cellules somatiques adultes autologues induites à la pluripotence [12] au prix d’une reprogrammation peu efficiente et encore mal maîtrisée car à l’origine possible d’aberrations génétiques et épigénétiques [13]. Ultime paradoxe, le caractère autologue de ces cellules ne les expose pas moins à un risque de rejet lié à l’émergence, du fait de la reprogrammation, d’antigènes possiblement identifiés comme étrangers par le système immunitaire du receveur [14]. Il est important de souligner que quelle que soit l’origine de ces cellules pluripotentes, leur utilisation clinique implique une étape in vitro de pré-différenciation, puis une sélection afin de n’utiliser que des progéniteurs cardiogéniques (qui, en fonction de la technique de pré-différenciation, peuvent être à des stades plus ou moins avancés de la différenciation cardiaque) et d’éliminer ainsi toute « contamination » par des cellules qui, ayant échappé à cette pré-orientation, auraient conservé un caractère pluripotent et donc un potentiel de prolifération tumorale après la greffe. Plus récemment a été proposée une conversion directe de cellules adultes (fibroblastes) en cardiomyocytes, sans repasser par l’étape de la cellule pluripotente, grâce à l’utilisation de facteurs de croissance ou de gènes [15] ; pour intéressante qu’elle soit sur le plan de la compréhension des mécanismes du développement cardiaque, cette approche paraît encore loin de possibles applications cliniques ; — enfin, la troisième stratégie, intermédiaire, consiste à utiliser une seule population de cellules progénitrices au stade mésendodermique susceptible, en fonction des signaux du tissu hôte, d’achever sa différenciation in situ dans les trois principaux types cellulaires (cardiomyocytes, cellules endothéliales, cellules musculaires lisses) [10, 16]. Il est à noter que ces signaux cardio-inducteurs ne sont pas exclusivement de nature chimique ; l’état physique de la matrice joue également un rôle important, une matrice souple dont le module d’élasticité simule celui du tissu cardiaque embryonnaire stimulant davantage la différenciation cardiogènique des cellules qu’une matrice plus rigide [17]. Cette différenciation peut également être modulée par la fixation à la matrice de motifs stimulant l’expression des molécules d’adhésion cellulaires et par sa sensibilité aux métalloprotéases [17]. De plus, bien que les protéines constitutives de la matrice extra-cellulaire soient hautement conservées à travers les espèces [16], il reste à s’assurer que la greffe de cellules humaines sur une charpente d’origine animale est un processus fonctionnellement pérenne qui n’est pas susceptible d’être altéré à terme par des réponses inflammatoires ou immunologiques.
Le second problème est celui du transfert des cellules sur la charpente qu’elles sont supposées recoloniser. Si la perfusion des cellules à destinée vasculaire parait logique pour reconstituer l’endothélium [6], l’injection intra-murale des cellules à visée cardiogénique est moins évidente. On a en effet appris de la thérapie cellulaire que l’injection, du fait de la dissociation protéolytique préalable des cellules qu’elle implique, les prédispose à la mort par apoptose. Si ce phénomène représente déjà une sérieuse limitation lorsqu’il s’agit de recoloniser une zone circonscrite de myocarde comme se propose de le faire la transplantation cellulaire, il devient encore plus problématique quand l’objectif devient celui de la repopulation de l’organe entier. Difficulté supplémentaire, cette repopulation ne vise pas seulement à apporter le contingent numérique de cellules nécessaires à la contraction du futur cœur reconstitué ; elle se doit aussi de permettre un alignement de ces cellules, à la fois entre elles et par rapport à leur matrice de soutien, réalisant une structure anisotrope, propriété qui caractérise le cœur et conditionne largement l’efficacité de sa fonction contractile. Le rétablissement d’une innervation physiologiquement pertinente et les modalités du drainage lymphatique restent d’autres problèmes encore non résolus. Globalement, le chemin qui reste à parcourir est illustré par les résultats du travail séminal de Ott et Taylor [6] : après injection de 50-75 millions de cardiomyocytes néo-nataux, fibrocytes, cellules endothéliales et cellules musculaires lisses par cinq injections directes dans la matrice de cœurs de rat décellularisés, perfusion par la racine aortique de ces mêmes cœurs de vingt millions de cellules endothéliales aortiques et culture dans un bioréacteur (de 8 à 28 jours), le taux de recellularisation par section histologique est de 34 % et si l’observation de réponses électriques et mécaniques à la stimulation apporte bien la preuve du concept, la force contractile générée n’équivaut qu’à environ 2 % de celle d’un cœur de rat adulte et 25 % de celle d’un fœtus humain de quatre mois.
Perspectives
Le remplacement complet d’un cœur humain par un autre cœur constitué d’une matrice, d’origine animale, et ensemencée par des cellules capables de s’organiser, structurellement et fonctionnellement, pour le douer d’une activité mécanique efficace, est donc une perspective encore incertaine et en tous cas certainement lointaine. En revanche, le développement de cette technologie, même si elle ne parvient pas à atteindre l’objectif final a des conséquences importantes dans le domaine de l’ingéniérie tissulaire. En effet, la maîtrise des techniques de détersion et d’ensemencement a déjà permis le développement de biomatériaux composites dans deux indications principales en chirurgie cardiaque. La première concerne le remplacement d’une portion de myocarde. Ainsi ont été établis les bénéfices de la fermeture d’une perte de substance du ventricule droit par une matrice extracellulaire seule [18] (la recolonisation reposant sur le recrutement de cellules endogènes) ou ensemencées par des cellules souches mésenchymateuses [19]. L’extension prévisible de cette approche est le renforcement per-opératoire d’une zone infarcie par une matrice ensemencée avec des cellules souches ayant un potentiel de diffé- renciation cardiomyogènique ou l’injection directe par cathéter de ce même type de matrice [20] dans le but de restaurer une fonctionnalité dans la zone initialement akinétique. À ce jour, les matrices utilisées ont été principalement dérivées de la sous-muqueuse intestinale ou de la vessie de porcs mais la reconnaissance d’une spécificité tissulaire de la matrice extra-cellulaire oriente aujourd’hui davantage vers des matrices issues du cœur même de ces animaux.
La seconde indication concerne les valves cardiaques. L’objectif ici est de disposer de valves biologiques susceptibles, notamment chez l’enfant et l’adulte jeune, de dégénérer moins vite que les bioprothèses actuelles. Le schéma général est d’utiliser une matrice, biologique (allo- ou xénogénique) ou polymérique et de l’ensemencer avec des cellules, myofibroblastes puis cellules vasculaires de diverses origines (moelle sanguine, cordon ombilical). D’indiscutables progrès ont été faits dans la caractérisation des matériaux adéquats et dans les techniques d’ensemencement en bioréacteur [21, 22] mais en dépit de nombreux travaux expérimentaux encourageants, l’expérience clinique avec des tubes valvés fabriqués par cette technique d’ingéniérie tissulaire reste à ce jour limitée et peu concluante [23].
CONCLUSION
Le cœur reconstruit en totalité à partir d’une matrice et de cellules autologues en tant que substitut complet à la transplantation est un objectif lointain qui pose encore de multiples problèmes techniques et dont la pertinence et l’applicabilité cliniques restent à ce jour discutables, surtout si des progrès importants sont faits dans les années à venir en matière de cœur artificiel totalement implantable. En revanche, l’utilisation de matrices recellularisées en vue d’un remplacement partiel du myocarde, des gros vaisseaux ou des valves, paraît plus réaliste et pourrait à brève échéance trouver sa place dans l’arsenal des biomatériaux à visée thérapeutique cardiaque.
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