Production, stérilisation et implantation de vaisseaux sanguins humains, issus de l’ingénierie tissulaire, obtenus par tissage de fils de matrice extracellulaire

Production, sterilization and implantation of human tissue-engineered blood vessels produced by weaving threads of cell-assembled extracellular matrix (CAM)

• Auteur / Autrice : Diane Potart
• Direction : Nicolas L'Heureux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bioingénierie tissulaire
• Jury : Président / Présidente : François Saucy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Saucy, Lucie Germain, Reine El Omar, François Aubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Saucy, Lucie Germain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Immunocompétence

Greffe

Tissus (histologie) -- Propriétés mécaniques

Génie tissulaire

Maladies cardiovasculaires

Matrice extracellulaire

Cultures cellulaires

Mots clés libres

Matrice extracellulaire

Stérilisation

Implantation

Extracellular matrix

Sterilization

Implantation

Résumé

Il existe aujourd’hui un besoin critique de substituts vasculaire performants, soit de petit diamètre (<5mm) pour traiter les maladies cardiovasculaires, soit de diamètre moyen (»6mm)pour réaliser une hémodialyse.Dans ce contexte, nous proposons l’utilisation d’un matériau innovant entièrement biologique, la CAM (ou Cell-Assembled extracellular Matrix), pour créer des substituts sanguins issus de l’ingénierie tissulaire (TEVGs pour Tissue Engineered Vascular Grafts). Cette approche est basée sur la production de feuillets de matrice extracellulaire par des fibroblastes maintenus en culture pendant 8 semaines. Précédemment, ces feuillets ont été roulés puis fusionnés en bioréacteur pendant 10 semaines pour obtenir des substituts vasculaires. Ces TEVGs ont été implantés avec succès jusqu’à 3 ans chez des patients recevant un traitement par hémodialyse (Wystrychowski, 2022), mais ils exigeaient un temps de production très important.Pour accélérer la production, nous avons décidé d'utiliser une approche textile pour produire plus efficacement les TEVG. Les feuillets de CAM sont découpés en fins rubans, assimilables à des fils et assemblables à volonté. On parle alors de « textile humain ». L’assemblage par tissage permet l’obtention d’une prothèse 100% biologique aux dimensions modulables dont la perméabilité transmurale est satisfaisante.Dans la première partie de la thèse, nous nous sommes intéressés à des problématiques de fabrication. Nous avons montré que la CAM est un matériau stable dans le temps et pouvant être conservé dans des conditions compatible avec un usage clinique (1 an hydraté au frigo,prêt à l’emploi). Nous avons également établi que la CAM est un matériau stérilisable (au CO2supercritique de préférence) ce qui facilite la conformité règlementaire et simplifie la production des TEVGs. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons miniaturisé le TEVG tissé pour le rendre compatible avec une implantation dans l’aorte abdominale du rongeur. Grace à cette première étude préclinique, nous avons confirmé l’implantabilité et la fonctionnalité du TEVG chez le rat immunodéprimé jusqu’à un an et nous avons suivi le remodelage du substitut par l’hôte dans le temps.L’ensemble de ces travaux a permis de montrer que la CAM est un matériau innovant qui n’est pas affecté par le stockage à long terme dans des conditions disponibles en hôpital (hydraté à4°C par exemple), et qu’il peut être stérilisé terminalement (au scCO2 par exemple) sans compromettre ses performances in vitro et in vivo. Nous avons également montré que le TEVG tissé est biocompatible, stable dans le temps et peut supporter une implantation dans le système artériel d’un animal. Notre TEVG tissé est donc un candidat très prometteur pour combler le manque de substituts vasculaires performants actuellement existant.Des travaux sont actuellement réalisés pour étudier l’influence des paramètres de tissage sur les propriétés mécaniques des TEVGs. Des TEVG tissés fait à partir de cellules ovines sont actuellement implantés chez des brebis afin d’évaluer sa performance dans un contexte plus proche de la clinique en termes de dimension de greffon et d’immunocompétence (contexte allogénique).

Nowadays, there is a critical need for efficacious vascular substitutes, either of small diameter(<5mm) to treat cardiovascular diseases, or of medium diameter (6mm) to perform hemodialysis.In this context, we propose the use of an innovative fully biological material, the CAM (or Cell-Assembled extracellular Matrix), to create Tissue Engineered Vascular Grafts (TEVGs). This approach is based on the production of extracellular matrix sheets by fibroblasts maintainedin culture for 2 months. Previously, these sheets were rolled and fused in a bioreactor during10 weeks to obtain vascular substitutes. These TEVGs were successfully implanted for up to 3 years in patients receiving hemodialysis treatment (Wystrychowski, 2022), but they requireda very long production time.To accelerate the production, we decided to use a textile approach to produce TEVGs more efficiently. The CAM sheets are cut into thin ribbons, similar to threads, and can be assembledat will, allowing access to the textile world. This is referred to as "human textile". The assemblyby weaving allows to obtain a 100% biological prosthesis with adjustable dimensions and a satisfactory transmural permeability.In the first part of the thesis, we focused on manufacturing issues. We have shown that CAMis a material that is stable over time and can be stored in conditions compatible with clinicaluse (1 year hydrated in the refrigerator, off-the-shelf). We also established that CAM can besterilized (preferably with supercritical CO2) which facilitates regulatory compliance and simplifies the production of TEVGs. In the second part of the thesis, we miniaturized thewoven TEVG to render it compatible with implantation in a rodent abdominal aorta. Through this first preclinical study, we confirmed the implantability and functionality of the TEVG inimmuno compromised rats (abdominal aorta) for up to one year and followed the remodeling of the substitute by the host over time.Taken together, this work showed that CAM is an innovative material that is unaffected bylong-term storage under hospital-available conditions (e.g., hydrated at 4°C), and that it canbe terminally sterilized (e.g., with scCO2) without compromising its in vitro and in vivo performance. We have also shown that the woven TEVG is biocompatible, stable over time and can withstand implantation in the arterial system of an animal. Our woven TEVG istherefore a very promising candidate to fill the gap in the existing high-performance vascular substitutes.Work is currently ongoing to study the influence of weaving parameters on the mechanical properties of TEVGs in order to improve them. Woven TEVGs made from ovine cells arecurrently implanted in sheep in order to evaluate its performance in a context closer to the clinic in terms of graft size and immuno competence (allogenic context).