Légende: Grâce à l’étirement mécanique, les ingénieurs du MIT peuvent contrôler la façon dont les artères artificielles développent de nouveaux capillaires. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

L’étirement et la traction doux d’un « vaisseau sanguin sur puce » favorisent la germination contrôlée de nouveaux vaisseaux, en vue d’une utilisation possible dans des tissus ou des organes artificiels.

Les ingénieurs tissulaires explorent des méthodes pour faire pousser des organes et des tissus vivants à partir de cellules, dans le but de remplacer les parties malades ou endommagées du corps. Les scientifiques sont parvenus à cultiver des muscles, des foies, des reins, de la peau et d’autres tissus artificiels. Cependant, il n’existait jusqu’à présent aucun moyen fiable de concevoir des réseaux de vaisseaux sanguins aux motifs précis, dont certains peuvent être plus fins qu’un cheveu. 

Sans réseau vasculaire pour acheminer les nutriments, aucun tissu artificiel, aussi réaliste soit-il, ne peut fonctionner. 

Des ingénieurs du MIT ont découvert qu’ils pouvaient concevoir et contrôler la croissance des vaisseaux sanguins en les étirant mécaniquement. 

L’équipe a créé un « vaisseau sanguin humain sur une puce », composé d’une artère centrale constituée de cellules endothéliales humaines, intégrée dans un gel contenant également un petit aimant. Les chercheurs ont étudié la réaction de l’artère principale lorsqu’ils ont agité le gel à l’aide d’un aimant externe afin de déplacer l’aimant intégré.

Vidéo construite à partir d’une image microscopique 3D haute résolution d’un tissu vasculaire sanguin artificiel réalisé par des ingénieurs du MIT, montrant un survol d’une artère centrale et de nouveaux capillaires qui germent à partir de l’artère en réponse à une stimulation mécanique.

Ils ont découvert que la simple action mécanique de secousses répétées sur l’artère stimulait la formation de nouveaux capillaires plus petits. En modifiant la direction des secousses ou de l’étirement de l’artère, les chercheurs pouvaient rediriger la croissance de ces nouveaux vaisseaux. De plus, l’étirement de l’artère, à différents degrés, influençait le nombre de nouveaux vaisseaux formés. 

Leurs résultats, publiés dans les Actes de l’Académie nationale des sciences , offrent aux scientifiques une nouvelle façon de concevoir des vaisseaux sanguins artificiels et de programmer les schémas selon lesquels ils se développent. 

« Les tissus sains dépendent de réseaux de vaisseaux sanguins organisés, mais les protocoles actuels ne permettent pas de créer de tels réseaux au sein de tissus artificiels », explique Ritu Raman, professeure agrégée de génie mécanique au MIT et co-auteure principale de l’étude. « La capacité de programmer la croissance des vaisseaux sanguins par des signaux physiques pourrait permettre la fabrication reproductible et à grande échelle de tissus artificiels implantables dans le corps afin de restaurer les fonctions après une maladie ou une blessure invalidante. »

Parmi les co-auteurs de l’étude au MIT figurent Sina Kheiri, Jessica Shah, Shashaank Venkatesh et Roger Kamm, ainsi que Peiyuan Chai et Ryan Flynn de l’Université Harvard. 

« Déménager, c’est bien »

La culture et le contrôle des vaisseaux sanguins sont complexes à réaliser avec les techniques de fabrication conventionnelles. Si les imprimantes 3D peuvent produire des vaisseaux à l’échelle des principales artères et veines, cette technologie manque de précision pour imprimer des réseaux complexes de capillaires beaucoup plus fins, semblables à des fils. Les scientifiques ont obtenu certains succès en cultivant des vaisseaux sanguins à partir de cellules individuelles dans des boîtes de Petri remplies de nutriments et de facteurs de croissance. Cependant, contrôler leur croissance, tant au niveau du mode que de l’emplacement, demeure un défi. 

« On peut essayer d’utiliser des signaux chimiques, comme les facteurs de croissance, pour orienter la croissance des vaisseaux, mais ce n’est pas très précis », explique Raman. « Nous avons donc besoin d’autres types de signaux modulables qui nous permettent de construire des tissus avec des vaisseaux organisés. »

Elle et ses étudiants se sont demandés s’il était possible de faire croître et de contrôler de nouveaux vaisseaux sanguins grâce à un protocole qu’ils avaient précédemment mis au point pour la culture de muscles et de nerfs artificiels. Dans leurs travaux antérieurs, l’équipe avait conçu une petite puce remplie d’un gel enrichi en nutriments et en facteurs de croissance. Ils y avaient intégré un petit aimant, puis recouvert la surface de ce dernier de cellules musculaires ou neuronales vivantes. Ils ont ensuite manipulé un aimant externe pour faire osciller l’aimant intégré et le gel recouvert de cellules. Ces travaux ont révélé que cette « stimulation » mécanique, consistant à faire osciller les cellules, influençait directement leur croissance. 

Dans leurs nouveaux travaux, l’équipe a utilisé un dispositif similaire pour voir s’il était possible de faire croître et de contrôler de nouveaux vaisseaux sanguins. 

Les chercheurs ont conçu un « vaisseau sanguin sur puce », plus petit qu’un timbre-poste, et l’ont rempli d’un gel riche en nutriments contenant un petit aimant. Ils ont inséré un fin tube dans le gel, dans le sens de la longueur, pour créer un canal creux, qu’ils ont ensuite recouvert de cellules endothéliales vivantes. Ces cellules se développent et fusionnent naturellement pour former les vaisseaux sanguins dans l’organisme. Une fois que les cellules ont pris la forme du canal, elles ont commencé à faire germer de nouveaux vaisseaux, semblables à des capillaires, au sein du gel. 

En plaçant le dispositif sous une plateforme motorisée équipée de petits aimants suspendus, les chercheurs ont déplacé les aimants d’avant en arrière dans différentes directions et à divers degrés, et ont observé si et comment des vaisseaux sanguins poussaient à partir de l’artère centrale en réponse. 

« Le principal enseignement est le suivant : étirer le vaisseau sanguin d’avant en arrière semble augmenter le nombre de nouveaux capillaires qui se développent », explique Raman. 

Si l’artère principale était simplement laissée au repos dans le gel, de nouveaux vaisseaux se développeraient aléatoirement le long de son trajet. Mais lorsqu’on la manipulait, le nombre de vaisseaux se multipliait significativement. Lorsque l’équipe utilisait des aimants pour étirer le gel d’avant en arrière, de 5 % de sa largeur totale, de nombreux nouveaux vaisseaux se développaient à partir de l’artère principale.

Avec un étirement de 15 %, le nombre de vaisseaux se développaient moins, mais ceux qui apparaissaient étaient plus longs. Enfin, lorsque l’équipe changeait le sens de l’étirement, les nouveaux vaisseaux réagissaient en conséquence, se relayant et suivant le schéma de la stimulation mécanique.

« Nous constatons que le mouvement est bénéfique, ce qui est toujours la conclusion de nos recherches en laboratoire », explique Raman. « Les forces mécaniques jouent un rôle important dans notre organisme. Cela signifie que si l’on souhaite augmenter ou diminuer le nombre de vaisseaux, leur longueur ou leur orientation, nous savons désormais comment procéder. »

Un gène de gardiennage

Les chercheurs sont allés plus loin pour étudier pourquoi les vaisseaux sanguins se développent en réponse à des forces mécaniques. Pour ce faire, ils se sont intéressés à l’édition génique et au rôle d’un gène en particulier : Piezo1. 

Raman avait récemment assisté à une conférence du biologiste moléculaire Ardem Patapoutian. En 2021, Patapoutian a reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine pour sa découverte des canaux ioniques des membranes cellulaires, qui s’ouvrent et se ferment en réponse à la pression mécanique. Ces canaux, nommés PIEZO1 et PIEZO2, agissent comme des régulateurs des échanges cellulaires, contrôlant les substances entrant et sortant de la cellule. Patapoutian a découvert que ces deux types de canaux sont régulés par leurs gènes respectifs, également nommés PIEZO1 et PIEZO2. 

Après sa présentation, Raman a montré à Patapoutian les résultats expérimentaux de son équipe, qui mettaient en évidence un lien entre la croissance des vaisseaux sanguins et la stimulation mécanique. Patapoutian a alors suggéré que l’explication pourrait résider dans le canal PIEZO1 ; en exerçant une pression mécanique sur l’artère centrale, Raman aurait pu stimuler l’ouverture des canaux ioniques des cellules artérielles, induisant ainsi la croissance de nouveaux vaisseaux sanguins. 

Pour tester cette hypothèse, Raman a cherché à inhiber l’expression du gène PIEZO1. Si ce gène était moins actif et que, par conséquent, le nombre de vaisseaux sanguins se développait moins, cela signifierait que les vaisseaux sanguins se développent effectivement en réponse à une stimulation mécanique, et plus précisément, par l’activation des canaux ioniques PIEZO1. 

L’équipe a répété ses expériences, cette fois avec des cellules endothéliales génétiquement modifiées pour supprimer le gène PIEZO1. Effectivement, ils ont observé une diminution significative du nombre de nouveaux vaisseaux sanguins formés, même en stimulant mécaniquement l’artère centrale.

L’équipe ayant désormais trouvé un moyen de stimuler et de contrôler la croissance des vaisseaux sanguins, elle prévoit d’appliquer ce protocole pour faire croître des réseaux organisés de vaisseaux afin d’alimenter des organes et des tissus artificiels. « Nous étudions actuellement comment le contrôle précis de la croissance des vaisseaux sanguins peut contribuer à améliorer la fonction musculaire », explique Jessica Shah, co-auteure de l’étude.

https://news.mit.edu/2026/mit-engineers-find-precise-way-to-grow-artificial-blood-vessels-0714