Une équipe de chercheurs du MIT et de l'hôpital pour enfants de Boston a construit des patchs cardiaques parsemés de minuscules fils d'or qui pourraient être utilisés pour créer des morceaux de tissu dont les cellules battent toutes dans le temps, imitant la dynamique du muscle cardiaque naturel. Le développement pourrait un jour aider les personnes qui ont subi des crises cardiaques.

L'étude, rapporté cette semaine dans Nature Nanotechnologie , promet d'améliorer les patchs cardiaques existants, qui ont du mal à atteindre le niveau de conductivité nécessaire pour assurer une douceur, « battement » continu à travers un grand morceau de tissu.

« Le cœur est une machine électrique assez sophistiquée, », dit Daniel Kohane, professeur à la division Harvard-MIT des sciences et technologies de la santé (HST) et auteur principal de l'article. « Il est important que les cellules battent ensemble, ou le tissu ne fonctionnera pas correctement.

La nouvelle approche unique utilise des nanofils d'or dispersés parmi les cellules cardiaques au fur et à mesure de leur croissance in vitro, une technique qui « améliore considérablement les performances du patch cardiaque, », dit Kohane. Les chercheurs pensent que la technologie pourrait éventuellement aboutir à des patchs implantables pour remplacer les tissus endommagés lors d'une crise cardiaque.

Les co-premiers auteurs de l'étude sont le postdoctorant du MIT Brian Timko et l'ancien postdoctorant du MIT Tal Dvir, maintenant à l'Université de Tel Aviv en Israël; les autres auteurs sont leurs collègues de HST, Hôpital pour enfants de Boston et Département de génie chimique du MIT, dont Robert Langer, le professeur de l'Institut David H. Koch.

Ka-thump, ka-thump

Pour construire de nouveaux tissus, les ingénieurs biologistes utilisent généralement des échafaudages miniatures ressemblant à des éponges poreuses pour organiser les cellules en formes fonctionnelles au fur et à mesure de leur croissance. Traditionnellement, cependant, ces échafaudages ont été fabriqués à partir de matériaux à faible conductivité électrique - et pour les cellules cardiaques, qui s'appuient sur des signaux électriques pour coordonner leur contraction, c'est un gros problème.

« Dans le cas des myocytes cardiaques en particulier, vous avez besoin d'une bonne jonction entre les cellules pour obtenir la conduction du signal, », dit Timko. Mais l'échafaudage agit comme un isolant, empêcher les signaux de voyager bien au-delà des voisins immédiats d'une cellule, et rendant presque impossible le battement de toutes les cellules du tissu en une seule unité.

Résoudre le problème, Timko et Dvir ont profité de leurs expériences complémentaires — Timko dans les nanofils semi-conducteurs, Dvir dans l'ingénierie des tissus cardiaques - pour concevoir un tout nouveau matériau d'échafaudage qui permettrait aux signaux électriques de passer.

« Nous avons commencé à réfléchir, et il m'est venu à l'esprit qu'il est en fait assez facile de faire pousser des nanoconducteurs en or, qui bien sûr sont très conducteurs, », dit Timko. « Vous pouvez les faire pousser jusqu'à quelques microns de long, ce qui est plus que suffisant pour passer à travers les parois de l'échafaudage.

Du micromètre au millimètre

L'équipe a pris comme matériau de base l'alginate, une substance organique semblable à une gomme qui est souvent utilisée pour les échafaudages tissulaires. Ils ont mélangé l'alginate avec une solution contenant des nanofils d'or pour créer un échafaudage composite avec des milliards de minuscules structures métalliques le traversant.

Puis, ils ont ensemencé des cellules cardiaques sur le composite or-alginate, tester la conductivité du tissu cultivé sur le composite par rapport au tissu cultivé sur de l'alginate pur. Parce que les signaux sont conduits par les ions calcium dans et entre les cellules, les chercheurs ont pu vérifier la distance parcourue par les signaux en observant la quantité de calcium présente dans différentes zones du tissu.

« En gros, le calcium est la façon dont les cellules cardiaques communiquent entre elles, nous avons donc marqué les cellules avec un indicateur de calcium et mis l'échafaudage sous le microscope, », dit Timko. Là, ils ont observé une amélioration spectaculaire parmi les cellules cultivées sur l'échafaudage composite :la plage de conduction des signaux s'est améliorée d'environ trois ordres de grandeur.

« En bonne santé, tissu cardiaque natif, tu parles de conduction sur des centimètres, », dit Timko. Précédemment, les tissus cultivés sur alginate pur ont montré une conduction sur seulement quelques centaines de micromètres, ou millièmes de millimètre. Mais la combinaison d'alginate et de nanofils d'or a permis d'obtenir une conduction du signal sur une échelle de « plusieurs millimètres, », dit Timko.

« C'est vraiment le jour et la nuit. La performance que les échafaudages ont avec ces nanomatériaux est juste beaucoup, beaucoup mieux, », dit Kohane.

« C'est du très beau travail, " dit Charles Lieber, professeur de chimie à l'université Harvard. « Je pense que les résultats sont assez clairs, et très excitant - à la fois en montrant fondamentalement qu'ils ont amélioré la conductivité de ces échafaudages, et ensuite comment cela fait clairement une différence dans l'amélioration de la décharge collective du tissu cardiaque. »

Les chercheurs prévoient de poursuivre des études in vivo pour déterminer le fonctionnement du tissu composite lorsqu'il est implanté dans des cœurs vivants. Outre les implications pour les patients victimes d'une crise cardiaque, Kohane ajoute que l'expérience réussie « ouvre un tas de portes » pour l'ingénierie d'autres types de tissus; Lieber est d'accord.

"Je pense que d'autres personnes peuvent profiter de cette idée pour d'autres systèmes :dans d'autres cellules musculaires, d'autres constructions vasculaires, peut-être même dans les systèmes neuronaux, c'est un moyen simple d'avoir un grand impact sur la communication collective des cellules, ", dit Lieber. "Beaucoup de gens vont sauter dessus."