Des chercheurs du département de génie biomédical Alfred E. Mann de l’Université de Californie du Sud ont mis au point une « crise cardiaque sur puce », un appareil qui pourrait un jour servir de banc d’essai pour développer de nouveaux médicaments cardiaques et même des médicaments personnalisés.
« Notre appareil reproduit certaines caractéristiques clés d’une crise cardiaque dans un système relativement simple et facile à utiliser », a déclaré Megan McCain, professeur agrégé de génie biomédical et de biologie des cellules souches et de médecine régénérative, qui a développé l’appareil avec la chercheuse postdoctorale Megan Rexius- Salle.
Cela nous permet de mieux comprendre comment le cœur change après une crise cardiaque. À partir de là, nous et d’autres pouvons développer et tester des médicaments qui seront les plus efficaces pour limiter la dégradation supplémentaire du tissu cardiaque qui peut survenir après une crise cardiaque. »
Alfred E. Mann, Département de génie biomédical, Université de Californie du Sud
McCain, un « ingénieur des tissus cardiaques », dont les travaux comprenaient auparavant le co-développement d’un cœur sur puce, et Rexius-Hall détaillent leurs découvertes dans un article récemment publié dans la revue Avancées scientifiques intitulé « Une zone frontalière d’infarctus du myocarde sur une puce démontre une régulation distincte de la fonction du tissu cardiaque par un gradient d’oxygène. »
Le tueur numéro 1 des États-Unis
La maladie coronarienne est la première cause de décès aux États-Unis. En 2018, 360 900 Américains y ont succombé, rendant les maladies cardiaques responsables de 12,6 % de tous les décès aux États-Unis, selon l’AHA. Une maladie coronarienne grave peut provoquer une crise cardiaque, qui représente une grande partie de cette douleur et de cette souffrance. Les crises cardiaques surviennent lorsque la graisse, le cholestérol et d’autres substances présentes dans les artères coronaires réduisent considérablement le flux de sang riche en oxygène vers une partie du cœur. Entre 2005 et 2014, une moyenne de 805 000 Américains par an ont eu des crises cardiaques.
Même si un patient survit à une crise cardiaque, avec le temps, il peut devenir de plus en plus fatigué, énervé et malade ; certains meurent même à cause d’une insuffisance cardiaque. C’est parce que les cellules cardiaques ne se régénèrent pas comme les autres cellules musculaires. Au lieu de cela, des cellules immunitaires apparaissent sur le site de la blessure, dont certaines peuvent être nocives. De plus, des cicatrices se développent qui affaiblissent le cœur et la quantité de sang qu’il peut pomper.
Cependant, les scientifiques ne comprennent pas complètement ce processus, en particulier comment les cellules cardiaques des parties saines et blessées du cœur communiquent entre elles et comment et pourquoi elles changent après une crise cardiaque.
McCain et Rexius-Hall pensent que leur crise cardiaque sur puce peut éclairer ces mystères.
« Fondamentalement, nous voulons avoir un modèle qui peut conduire à une meilleure compréhension des blessures de crise cardiaque », a déclaré Rexius-Hall.
Crise cardiaque sur puce
La crise cardiaque sur puce est littéralement construite à partir de zéro. À la base se trouve un dispositif microfluidique carré de 22 millimètres sur 22 millimètres légèrement plus grand qu’un quart – fabriqué à partir d’un polymère caoutchouteux appelé PDMS – avec deux canaux sur les côtés opposés à travers lesquels les gaz s’écoulent. Au-dessus se trouve une très fine couche du même matériau en caoutchouc, qui est perméable à l’oxygène. Une microcouche de protéines est ensuite modelée sur le dessus de la puce, « afin que les cellules cardiaques s’alignent et forment la même architecture que celle que nous avons dans nos cœurs », a déclaré McCain. Enfin, des cellules cardiaques de rongeurs sont cultivées au-dessus de la protéine.
Pour imiter une crise cardiaque, du gaz avec de l’oxygène et du gaz sans oxygène est libéré à travers chaque canal du dispositif microfluidique, « exposant notre cœur sur une puce à un gradient d’oxygène, similaire à ce qui se passe réellement lors d’une crise cardiaque », a déclaré McCain.
Parce que le dispositif microfluidique est petit, clair et facile à voir au microscope, a ajouté McCain, il permet également aux chercheurs d’observer en temps réel les changements fonctionnels qui se produisent parfois dans le cœur après une attaque, y compris une arythmie ou un rythme cardiaque irrégulier, et un dysfonctionnement contractile, ou une diminution de la force de contraction du cœur. À l’avenir, les chercheurs pourront rendre le modèle plus complexe en ajoutant des cellules immunitaires ou des fibroblastes, les cellules qui génèrent la cicatrice après une crise cardiaque.
En revanche, les chercheurs ne peuvent pas observer les modifications du tissu cardiaque en temps réel avec des modèles animaux. De plus, les modèles de culture cellulaire traditionnels exposent uniformément les cellules cardiaques à des niveaux d’oxygène élevés, moyens ou faibles, mais pas à un gradient. Cela signifie qu’ils ne peuvent pas imiter ce qui arrive réellement aux cellules cardiaques endommagées dans la soi-disant zone frontalière après une crise cardiaque, a déclaré Rexius-Hall.
McCain a ajouté : Il est très excitant et gratifiant d’imaginer que notre appareil ait un impact positif sur la vie des patients dans un avenir proche, en particulier pour les crises cardiaques, qui sont extrêmement répandues. »
Parmi les autres co-auteurs de cet article figurent Natalie Khalil, titulaire d’un doctorat à l’USC Viterbi. étudiant en génie biomédical; Sean Escopete et Sarah Parker du Smidt Heart Institute du Cedars-Sinai Medical Center; et Xin Li, Jiayi Hu, Hongyan Yuan du Département de mécanique et de génie aérospatial de la Southern University of Science and Technology en Chine.
Le National Heart, Lung, and Blood Institute et l’American Heart Association (AHA) ont soutenu cette recherche.
