Développement de vaisseaux sanguins issus de l’ingénierie tissulaire et obtenus par tissage de fils de matrice extracellulaire ovine

Development of Tissue-Engineered Vascular Grafts woven from threads of ovine Cell-Assembled extracellular Matrix

• Auteur / Autrice : Gaëtan Roudier
• Direction : Nicolas L'Heureux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• 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 : Catherine Le Visage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Le Visage, Anne-Virginie Salsac, Philippe Menasché, Nabil Chakfé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Le Visage, Anne-Virginie Salsac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Greffes vasculaires

Tissus (histologie) -- Propriétés mécaniques

Génie tissulaire

Matrice extracellulaire

Mots clés libres

Matrice extracellulaire assemblée par les cellules

Ingénierie tissulaire vasculaire

Propriétés mécaniques

Assemblage textile

Cell-assembled extracellular matrix

Vascular tissue engineering

Textile assembly

Mechanical properties

Résumé

Des greffons vasculaires sont implantés quotidiennement, en tant que pontages coronariens ou dans les membres inférieurs, ou en tant que greffon artérioveineux (GAV) pour les patients hémodialysés. Les vaisseaux sanguins autologues sont la référence, mais leur disponibilité est limitée, alors que que les substituts synthétiques sont sujets à la thrombose, à l'hyperplasie intimale et aux infections. Pour surmonter ces limitations, notre équipe a produit un greffon vasculaire biologique issu de l'ingénierie tissulaire (TEVG), tissé à partir de fils de matrice extracellulaire assemblée par les cellules (MAC). Cette approche textile est très polyvalente car elle permet de contrôler finement les propriétés géométriques et mécaniques des TEVG. Le premier prototype de TEVG tissé avait des propriétés mécaniques supraphysiologiques, créant un décalage avec les vaisseaux sanguins natifs qui peut mener à l'échec du greffon. L'objectif de cette thèse était donc de produire une TEVG avec des propriétés mécaniques et structurelles plus proches de celles des vaisseaux sanguins natifs, et de l'implanter comme greffon allogénique afin d’étudier sa performance à court terme dans un modèle de gros animal. Tout d'abord, nous avons étudié l’influence des paramètres de production sur les propriétés des TEVG. Les TEVG ont été tissés avec plusieurs combinaisons de paramètres de tissage et leurs propriétés géométriques et mécaniques ont été évaluées. Les résultats ont montré que la force de la MAC avait un effet sur la pression d'éclatement, tandis que le nombre de fils de chaîne et l'épaisseur du fil de trame avaient un effet sur l'épaisseur de la paroi et l'ondulation de surface de la lumière. De plus, la compliance dépendait principalement de la tension du fil de trame pendant le tissage. Ensuite, nous avons développé une TEVG tissé avec des propriétés mécaniques et structurelles plus proches de celles des vaisseaux sanguins natifs, et nous l'avons adapté à une implantation en tant que GAV allogénique chez le mouton. Les TEVG tissés optimisés présentaient une perméabilité transmurale inférieure aux 50 mL/min/cm2 souvent suggérés pour une utilisation clinique (25 ± 8 mL/min/cm2), d’excellentes rétention à la suture et pression à l’éclatement (5 ± 1 N et 3492 ± 307 mmHg, respectivement), et une compliance plus élevée que celle des prothèses synthétiques commerciales (4,8 %/100 mmHg contre 1,2 %/100 mmHg). L'implantation des TEVG en tant que GAV a été réussie avec une hémostase rapide. Les greffons ont ensuite été prélevés à 4 et 8 semaines post-implantation (n = 8 animaux). Les TEVG étaient perméables à 8 semaines tandis que le néotissu formé était composé de cellules musculaires lisses contractiles, et qu'un endothélium était formé. La réponse inflammatoire a diminué entre 4 et 8 semaines. En outre, les greffons ont été ponctionnés à 4 semaines avec succès. En conclusion, nous avons produit une boîte à outils qui nous a permis de tisser un TEVG biologique et allogénique avec des propriétés structurelles et mécaniques plus proches de celles des vaisseaux sanguins natifs. Nous avons montré que nous pouvions l’implanter en tant que GAV et l’utiliser comme accès vasculaire dans un modèle de gros animal. Les résultats de cette étude à court terme nous aideront à améliorer le substitut pour qu’il soit performant à long terme in vivo.

Vascular grafts are implanted daily, whether it is as leg or coronary bypasses or as arteriovenous shunts (AVS) for patient on hemodialysis. Autologous blood vessels are the gold standard but have limited availability while synthetic materials are prone to thrombosis, intimal hyperplasia and infections. To overcome these limitations, our team produced a biological Tissue-Engineered Vascular Graft (TEVG) woven from threads of Cell-Assembled extracellular Matrix (CAM). This textile-based approach is very versatile because it gives fine control over the geometrical and mechanical properties of the TEVG. The first prototype woven TEVG had supraphysiological mechanical properties that would create a mismatch with native blood vessels and may lead to graft failure. Hence, the goal of this thesis was to produce a TEVG with mechanical and structural properties closer to those of native blood vessels, and to implant it as an allogeneic graft to study its short-term performance in a large animal model. First, we studied how changes in production parameters affect the properties of the TEVG. TEVGs were woven with several combinations of weaving parameters and evaluated for geometrical and mechanical properties. Results showed that CAM strength had an effect on burst pressure, whereas warp count and weft thickness had an effect on wall thickness and lumen waviness. Moreover, the compliance relied mainly on weft tension during weaving. Next, we developed a woven TEVG with mechanical and structural properties closer to those of native blood vessels, and adapted for an implantation as an allogeneic AVS in a sheep model. Optimized woven TEVGs had lower water permeability than the 50 mL/min/cm2 often suggested for clinical use (25 ± 8 mL/min/cm2), excellent suture retention strength and burst pressure (5 ± 1 N and 3492 ± 307 mmHg, respectively), and higher compliance than ePTFE prostheses (4.8 %/100 mmHg vs 1.2 %/100 mmHg). Implantation of TEVGs as AV shunts was successful with quick hemostasis. Then, grafts were harvested after 4- and 8-weeks post-implantation (n = 8 animals). TEVGs were patent at 8 weeks while the neotissue formed was composed of contractile smooth muscle cells, and an endothelium was formed. Inflammatory response decreased between 4 and 8 weeks. In addition, grafts were successfully cannulated at 4 weeks. In conclusion, we produced a toolbox that helped us weaving a biological, allogeneic TEVG with structural and mechanical properties closer to those of native blood vessels. We showed that we can implant it as AVS and use it as a vascular access conduit in a large animal model. Results of this short-term study will help us improve the substitute to achieve long-term in vivo success.