Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

Lorsqu'un cœur subit un infarctus massif, une obstruction coupe l'apport sanguin, laissant une zone de tissu musculaire morte et incapable de se guérir elle-même. Contrairement à un os cassé qui se ressoude, le muscle cardiaque possède une capacité de régénération très limitée. Une fois que les cellules meurent, elles disparaissent, remplacées par un tissu cicatriciel rigide qui ne peut pas pomper le sang. Pour y remédier, les scientifiques explorent une méthode appelée ingénierie tissulaire, qui vise à construire des structures artificiques temporaires capables de soutenir de nouvelles cellules cardiaques et d'encourager leur croissance. Ces structures, appelées échafaudages, doivent faire plus que simplement maintenir les cellules en place ; elles doivent imiter l'environnement naturel du cœur, qui est mou, flexible et envoie constamment des signaux électriques pour maintenir le rythme des battements du cœur. Le défi consiste à créer un matériau suffisamment résistant pour supporter la contrainte physique d'un cœur qui bat, assez sûr pour être accepté par le corps, et assez conducteur pour transmettre ces impulsions électriques vitales.

Dans une étude récente, des chercheurs ont cherché à créer un tel échafaudage en mélangeant trois matériaux distincts en une seule feuille fonctionnelle. Ils ont combiné un plastique synthétique connu pour son élasticité, un polymère naturel à base de sucre trouvé dans les crustacés, et un type de plastique spécial capable de conduire l'électricité. Le plastique synthétique, le polyuréthane thermoplastique, apporte l'élasticité et la durabilité nécessaires. Le polymère naturel, le chitosane, offre une surface que les cellules vivantes reconnaissent et apprécient pour s'y attacher. Pour résoudre le problème de la conductivité électrique, l'équipe a ajouté du polypyrrole, un matériau qui permet à l'électricité de circuler, un peu comme un fil, mais sous une forme qui peut être mélangée à d'autres matériaux mous. Ils ont également inclus deux additifs courants, l'alginate de sodium et le gluconate de calcium, pour aider le mélange à conserver sa forme et à mieux interagir avec le corps. L'objectif était de voir si cette combinaison spécifique pouvait créer une structure stable et poreuse capable de soutenir la croissance des cellules cardiaques tout en conduisant l'électricité.

Les chercheurs ont commencé par dissoudre ces composants dans divers solvants et en les mélangeant selon différents ratios afin de trouver l'équilibre parfait. Ils ont découvert que le simple mélange du plastique et du polymère naturel sans les autres ingrédients résultait en une feuille trop dense et dépourvue des minuscules trous, ou pores, dont les cellules ont besoin pour respirer et se déplacer. Cependant, lorsqu'ils ont introduit les additifs et le matériau conducteur, le mélange a changé. Les additifs ont aidé à créer une structure semblable à une éponge avec des pores interconnectés, ce qui est essentiel pour que les cellules puissent infiltrer le matériau. À mesure qu'ils augmentaient la quantité de polypyrrole conducteur, les pores devenaient plus petits et la surface du matériau devenait plus rugueuse. Cette rugosité est en fait bénéfique, car elle offre aux cellules plus de surface sur laquelle s'agripper, tout comme une surface texturée offre une meilleure adhérence qu'une surface lisse.

De manière cruciale, l'ajout du matériau conducteur a transformé les propriétés électriques de l'échafaudage. Le mélange de base de plastique et de polymère naturel ne conduisait pas du tout l'électricité. Mais dès que le polypyrrole a été ajouté, la feuille est devenue capable de transporter un courant électrique. Plus ils ajoutaient de polypyrrole, mieux la feuille conduisait l'électricité. C'est une découverte vitale car les cellules cardiaques dépendent de signaux électriques pour coordonner leurs battements ; un échafaudage incapable de conduire l'électricité échouerait à soutenir le rythme naturel du cœur. L'équipe a également testé comment le matériau interagissait avec l'eau. Alors que le mélange de base repoussait l'eau, l'ajout du matériau conducteur rendait la surface plus hydrophile, ce qui aide généralement les cellules à s'attacher et à se propager plus facilement.

Pour vérifier si ces nouveaux matériaux étaient sûrs et efficaces, les chercheurs les ont testés sur des cellules cardiaques vivantes et des cellules de vaisseaux sanguins dans un cadre de laboratoire. Ils ont constaté que les cellules non seulement survivaient sur les échafaudages, mais qu'elles croissaient bien et s'attachaient fermement à la surface. Les cellules cardiaques maintenaient leur forme caractéristique et commençaient même à montrer des signes de développement des structures internes nécessaires à la contraction. L'étude a également examiné comment les échafaudages se décomposaient au fil du temps. Les matériaux ont été conçus pour être biodégradables, ce qui signifie qu'ils se dissoudraient lentement à mesure que le nouveau tissu se formait. Les résultats ont montré que les échafaudages contenant le matériau conducteur se décomposaient légèrement plus vite que le mélange de base, probablement parce qu'ils absorbaient plus d'eau. Cela suggère qu'ils pourraient disparaître à un rythme correspondant à la croissance du nouveau tissu cardiaque.

Au-delà du simple soutien des cellules cardiaques, les chercheurs ont étudié si les échafaudages pouvaient encourager la croissance de nouveaux vaisseaux sanguins, un processus appelé angiogenèse. Sans un approvisionnement frais en vaisseaux sanguins, le nouveau tissu cardiaque ne peut survivre. En utilisant un modèle biologique impliquant des embryons de poulet, ils ont observé que les échafaudages contenant le matériau conducteur et l'additif calcique favorisaient la croissance de nouveaux vaisseaux sanguins plus efficacement que le mélange de base. Cela indique que la combinaison spécifique d'ingrédients ne se contente pas de soutenir directement les cellules du muscle cardiaque, mais aide également à construire le réseau vasculaire nécessaire pour les nourrir. L'étude a également noté que les échafafaudages montraient une certaine capacité à inhiber la croissance de certaines bactéries, ce qui pourrait être un effet secondaire utile pour prévenir les infections après l'implantation.

Les chercheurs ont conclu que la version la plus prometteuse de leur échafaudage était celle contenant une quantité spécifique et modérée de matériau conducteur. Cette version offrait le meilleur équilibre : elle était assez solide pour maintenir sa forme, assez flexible pour accompagner les mouvements du cœur, assez conductrice pour transmettre les signaux électriques, et assez poreuse pour permettre la croissance des cellules à l'intérieur. Bien que cette étude n'ait pas testé le matériau à l'intérieur d'un cœur humain ou animal vivant, les résultats de laboratoire suggèrent que cette combinaison de matériaux crée un environnement favorable à la réparation cardiaque. En ajustant soigneusement le mélange de plastique synthétique, de polymère naturel et de matériau conducteur, l'équipe a créé une plateforme qui répond aux multiples exigences complexes de l'ingénierie du tissu cardiaque, offrant une voie potentielle pour réparer le muscle cardiaque endommagé qui, actuellement, n'a aucun moyen naturel de se guérir.