Les chercheurs de Rice configurent du papier filtre en couches pour imiter les valves cardiaques aortiques. Crédit :Jeff Fitlow
Le papier est au cœur d'un dispositif expérimental développé par les bio-ingénieurs de l'Université Rice pour étudier les maladies cardiaques.
Ils utilisent des structures à base de papier qui imitent la nature en couches des valves aortiques, le dur, tissus flexibles qui maintiennent le sang circulant dans le cœur dans une seule direction. Les dispositifs permettent aux ingénieurs d'étudier en détail comment les maladies calcifiantes ralentissent ou arrêtent le fonctionnement du cœur.
Le travail de l'équipe de la Brown School of Engineering, détaillé dans Acta Biomaterialia , montre que le collagène 1, une protéine naturelle et un composant de la matrice extracellulaire fibreuse des valves, semble avoir une forte association avec la calcification lorsqu'elle se trouve en dehors de son domaine habituel. Les valves durcies par les dépôts de calcium sont moins flexibles et perdent leur capacité à sceller les cavités cardiaques.
« Quand les tissus produisent beaucoup de collagène de type 1 en excès, ça s'appelle la fibrose, " a déclaré Jane Grande-Allen, bio-ingénieure de Rice, qui a dirigé l'étude avec l'étudiante diplômée de Rice et auteure principale Madeline Monroe. "La fibrose peut survenir dans de nombreux types de tissus et elle accompagne la maladie de la valve aortique calcifiante (CAVD). Cela ne signifie pas nécessairement que le collagène causera toujours la CAVD, mais cela a définitivement entraîné le phénotype lié à la calcification dans les cellules que nous avons cultivées. »
Le collagène reste généralement dans la couche de fibrose de la valve, l'un des trois dans chacun des trois feuillets qui composent une valve aortique. (Les autres couches sont la spongieuse et la ventriculaire.) Les chercheurs ont préparé des couches de papier pour soutenir les cellules des valves cardiaques incrustées dans du collagène ou de l'hyaluronane, et découvert que lorsque les protéines de collagène 1 sont présentes dans plusieurs couches, les cellules se comportent d'une manière qui conduirait finalement à des lésions minéralisées.
Madeline Monroe, étudiante diplômée de Rice, a dirigé un projet visant à utiliser du papier filtre en couches pour imiter les valves cardiaques aortiques. Crédit :Jeff Fitlow
Grande-Allen a déclaré que les couches de matrice extracellulaire dans une valve aortique saine sont bien définies. "Dans un état plus pathologique, le collagène n'est pas localisé, " dit-elle. " C'est étalé. Nos modèles suggèrent que le collagène non localisé pourrait contribuer à la surexpression cellulaire de ces facteurs calcifiants."
Les chercheurs de Rice veulent savoir comment cela se passe. Ils avaient besoin d'un moyen de voir comment les cellules des valves réagiraient à la propagation du collagène à travers un tissu tridimensionnel, et le papier filtre commun s'est avéré être un remplaçant approprié. Ce qu'ils ont fait ne ressemble pas à une valve cardiaque, mais agit effectivement comme un pour montrer comment les cellules prolifèrent à travers les couches d'une valve.
La maladie des valves cardiaques ne peut pas encore être traitée avec une pilule, dit Grande-Allen, qui a étudié les valvulopathies pendant une grande partie de sa carrière et a fait un rapport sur les cultures sur papier en 2015. Les remèdes actuels impliquent souvent le remplacement de la valvule par un tissu de donneur humain ou animal ou une valvule mécanique. Mais la capacité de modéliser et de manipuler avec précision toutes les couches d'une valve pourrait aider à déchiffrer les transactions chimiques dans les maladies cardiaques. Elle a dit que cela pourrait éventuellement conduire à des médicaments non invasifs.
Les bio-ingénieurs du riz ont empilé des filtres en papier pour cultiver des cellules de valves cardiaques dans du collagène et de l'hyaluronane, les deux hydrogels naturels, pour voir comment ils ont influencé la calcification du modèle. Crédit :Madeline Monroe
"La première étape a été de développer des modèles qui imitent le comportement des cellules des valves, " dit Grande-Allen. " La prochaine étape serait de les voir réellement se calcifier. Une fois que c'est en main, nous pouvons commencer à tester des produits chimiques qui bloqueraient ce processus de calcification."
Monroe, avec le co-auteur et premier cycle de Rice Rebecca Nikonowicz et l'aide précoce de l'ancien élève Matthew Sapp, s'est inspiré des cultures de papier filtre de cellules dans des gels dans des puits utilisées à l'Université de Harvard pour étudier l'hypoxie dans les cellules cancéreuses du poumon.
Le laboratoire Rice a commencé par imprimer en 3D des supports en polymère avec des matrices de trous. Ceux-ci maintenaient en place des couches de papier qui avaient été imprégnées d'un motif de cire pour éliminer la diaphonie entre les cercles ouverts de papier filtre. Les cercles ont ensuite été saturés de diverses combinaisons de collagène fibreux 1, hyaluronane (normalement trouvé dans la couche spongieuse) et des millions de cellules cardiaques vivantes, et les feuilles étaient pressées ensemble dans les supports.
"Ce système de modélisation nous donne un contrôle complet sur de nombreuses variables différentes, " a déclaré Monroe. "Nous avons pu créer des piles distinctes avec des compositions différentes en fonction des composants que nous avons mis dans chaque couche. Nous avions des piles où toutes les couches étaient toutes en hyaluronane, ou tout collagène, ou des empilements hétérogènes avec les deux types de couches.
"Cela nous a permis de voir si les cellules se comportaient différemment lorsqu'il y avait une augmentation du nombre de couches de collagène, " elle a dit.
Monroe a évalué le comportement des cellules au fil du temps en analysant les marqueurs protéiques qu'elles exprimaient, en particulier l'actine alpha des muscles lisses (aSMA), a Runt-related transcription factor-2 (RunX2) et SRY-box 9 (Sox9), qui sont tous des indicateurs pour CAVD. L'utilisation d'une méthode de coloration et de balayage à haut débit avec les groupes de puits lui a permis de recueillir rapidement des données à partir de dizaines de structures.
Les données leur ont permis de voir que les cellules interstitielles valvulaires, le type de cellule valvulaire aortique principal et normalement stable, est devenu plus sensible à l'ostéogenèse (durcissement) en présence de plusieurs couches contenant des protéines de collagène.
« Le modèle papier est ingénieux pour nous permettre cette polyvalence et cette flexibilité, " a déclaré Grande-Allen. "Je ne connais pas d'autre méthode qui nous permette si facilement d'assembler différentes couches facilement, cultiver les combinaisons ensemble, puis les démonter et les analyser si rapidement."
