Amélioration de la thérapie cellulaire par greffes de biomatériaux cellularisés dans un modèle d’ischémie myocardique chez le rat

Improved cell therapy by transplantation of cellularized biomaterials in ischemic heart

• Auteur / Autrice : Hadhami Hamdi
• Direction : Philippe Menasché, Abdelhédi Miled
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie et biotechnologie
• Date : Soutenance le 10/02/2012
• Etablissement(s) : Paris 5 en cotutelle avec Université de Monastir (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biochimie, biothérapies, biologie moléculaire, infectiologie (Paris ; 2009-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Therapie Cellulaire en Pathologie Cardio-Vasculaire
• Jury : Président / Présidente : Valérie Planat-Benard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Menasché, Abdelhédi Miled, Valérie Planat-Benard, Jérôme Larghero, Jean-Thomas Vilquin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Larghero, Jean-Thomas Vilquin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules souches

Expérimentation animale

Biomatériaux

Insuffisance cardiaque

Thérapeutique cellulaire

Mots clés libres

Insuffisance cardiaque ischémique

Thérapie cellulaire

Cellules souches

Mort cellulaire

Matrice biodégradable

Ingénierie tissulaire

Ischemic heart failure

Cell therapy

Stem cells

Cell death

Biodegradable matrix

Tissue engineering

Résumé

La transplantation cellulaire apparaît aujourd’hui comme une thérapie prometteuse pour certaines formes graves d’insuffisance cardiaque réfractaire aux traitements classiques. Nous avons tenté dans ce travail d’améliorer la thérapie cellulaire en agissant sur deux paramètres : la perte et la survie des cellules. Dans une première étape, nous avons comparé les effets de deux méthodes de couverture épicardique des cellules via des biomatériaux cellularisés (feuilles de cellules et une matrice de gélatine) par rapport à ceux des injections conventionnelles dans le myocarde. Nous avons choisi de transplanter des cellules souches musculaires pour une étude de preuve de concept. Une amélioration de la fonction contractile au bout de 1 mois associée à une amélioration de la rétention cellulaire, une augmentation du nombre de vaisseaux sanguins et une diminution du pourcentage de la fibrose ont été enregistrées dans les groupes de biomatériaux cellularisés par rapport au groupe des injections de cellules. Nous avons tenté de confirmer les bénéfices de la couverture épicardique avec un autre type cellulaire. Nous avons choisi d’utiliser des cellules souches stromales d’origine adipeuse (ADSC pour Adipose Derived Stroma/Stem Cells). Toutefois, et malgré les bénéfices fonctionnels apportés lors des greffes, les feuilles d’ADSC étaient difficilement maniables lors de la chirurgie. De plus, les ADSC ont été incapables de générer de nouveaux cardiomyocytes s’intégrant électriquement et mécaniquement dans le tissu receveur. L’objectif de « régénération » myocardique requiert l’apport de cellules ayant un potentiel de différenciation cardiaque et devrait donc pouvoir être atteint avec des cellules souches embryonnaires (CSE). Nous avons choisi de travailler avec ce type cellulaire en raison de la possibilité de dériver, à partir de ces cellules, de véritables progéniteurs des cardiomyocytes. Pour limiter les conditions hypoxiques de l’environnement ischémique, nous avons co-transplanté les progéniteurs cardiaques dérivés des CSE humaines avec des ADSC afin d’en exploiter les propriétés trophiques, et d’optimiser ainsi la survie du greffon. Les deux populations cellulaires ont été transférées sur le myocarde infarci via, une matrice de gélatine (GELFILM™) qui représente de meilleures propriétés mécaniques. Lors de cette étude, nous avons remarqué une préservation contre le remodelage ventriculaire à court (1mois) et long (6mois) terme chez les animaux greffés avec les patchs co-ensemencés par rapport aux animaux recevant le patch seul et l’étude des patchs composites a montré la présence de cellules humaines in vitro mais pas in vivo, probablement à cause d’une maîtrise insuffisante du rejet. Notre travail a donc consisté en une analyse systématique de plusieurs paramètres fondamentaux de thérapie cellulaire (méthode de transfert des cellules, limitation des conditions de mort cellulaire après greffes, choix du type cellulaire). Les résultats obtenus valident l’emploi des matrices cellularisées déposées sur l’épicarde. Il convient maintenant d’optimiser la nature du biomatériau, les conditions de culture des progéniteurs cardiaques avec des cellules trophiques dans le but d’améliorer la survie du greffon.

Cell transplantation has emerged as a promising therapy for some kind of severe heart failure refractory to conventional treatment. We have attempted in this work to improve cell therapy by acting on two parameters: the loss and cell survival. In a first step, we compared the effects of two methods of epicardial deposition of cells via natural biomaterials (Cell sheet and gelatin matrix) compared to conventional cells injections into the myocardium. We chose to transplant muscle stem cells for a proof of concept study. Improved contractile function after 1 month associated with improved cell retention, an increased number of blood vessels and a decrease in the percentage of fibrosis were recorded in the groups of cellularized biomaterials compared with injections group. We attempted to confirm the benefits of the epicardial cover with another cell type. We chose to use stromal stem cells from adipose origin as ADSC for Adipose Derived Stromal / Stem Cells. However, despite the functional benefits provided after transplantation, ADSC sheets were hardly manipulated during surgery. In addition, ADSC were unable to generate new cardiomyocytes electrically and mechanically integrated into the host tissue. The objective of ''regeneration'' requires the input of contractile cells with potential of cardiac differentiation that should be achieved with embryonic stem cells (ESC). We chose to work with this cell type because of the possibility of deriving of cardiac progenitor from these cells. To reduce the hypoxic conditions of the ischemic environment, we co-transplanted cardiac progenitor derived from human embryonic stem cells with ADSC in order to develop the trophic properties, and thus optimize the graft survival. Both cell populations were transferred to the infarcted myocardium using a gelatin matrix (GELFILM ™) which represents better mechanical properties than the cell sheet. In this study, we observed a significant functional preservation against negative ventricular remodeling in the short (1 month) and long (6 months) term in animals grafted with co-seeded patches compared to animals receiving only the patch. The study of composite patches showed the presence of human cells in vitro but not in vivo, probably because of inadequate control of rejection. Our work has involved a systematic analysis of several basic parameters of cell therapy (method of cell transfer, reduce of cell death after transplantation, choice of cell type…). The results validate the use of cellularized matrix deposited on the epicardium. In conclusion, to improve graft survival, it is necessary to optimize the nature of the biomaterial, the culture conditions of cardiac progenitor cells.