Des scientifiques mettent au point un organoïde cardiaque miniature humain qui imite la fibrillation auriculaire.
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Bien qu'environ 60 millions de personnes dans le monde souffrent de fibrillation auriculaire (FA), un trouble du rythme cardiaque irrégulier et souvent rapide, aucun nouveau traitement n'a été mis au point depuis au moins 30 ans. La raison ? Les chercheurs ne disposaient pas de modèles précis du cœur humain pour leurs études. Grâce aux récentes avancées des scientifiques de l'Université d'État du Michigan, ce n'est plus le cas.
En 2020, Aitor Aguirre, chercheur à l'Université d'État du Michigan (MSU), et son équipe ont commencé à créer et à perfectionner de minuscules modèles fonctionnels du cœur humain, appelés organoïdes. Ces organoïdes peuvent désormais être modifiés pour reproduire la fibrillation auriculaire (FA).
De la taille d'une lentille environ, ces organoïdes cardiaques tridimensionnels sont si précis que les chercheurs peuvent étudier le développement cardiaque, les maladies cardiaques et les réponses aux médicaments d'une manière inédite. Leurs battements rythmiques sont si puissants qu'ils sont visibles à l'œil nu.
Comment les organoïdes sont créés
Sous la direction d'Aitor Aguirre, professeur associé de génie biomédical et chef du département de biologie du développement et des cellules souches à l'Institut des sciences et de l'ingénierie quantitatives de la santé de l'Université d'État du Michigan (MSU), l'équipe utilise des cellules souches humaines données, capables de se différencier en de nombreux types cellulaires et essentielles à la croissance et à la réparation des tissus tout au long de la vie, pour développer des organoïdes cardiaques. Ces organoïdes sont de véritables mini-cœurs, dotés de structures semblables à des cavités et de réseaux vasculaires comprenant des artères, des veines et des capillaires.
Ce schéma résume les principales découvertes et conclusions de l'article récemment publié dans Cell Stem Cell . Graphique reproduit avec l'aimable autorisation du laboratoire Aitor Aguirre de l'Université d'État du Michigan. Crédit : Université d'État du Michigan
La dernière avancée majeure du laboratoire Aitor Aguirre est due à Colin O'Hern, étudiant en médecine ostéopathique et chercheur à l'Université d'État du Michigan, qui a intégré des cellules immunitaires aux organoïdes. Dans le développement du cœur humain, ces cellules immunitaires, ou macrophages, contribuent à assurer une croissance et une formation optimales.
Les chercheurs sont parvenus à induire une inflammation dans les organoïdes, provoquant ainsi un rythme cardiaque irrégulier, similaire à la fibrillation auriculaire. Leurs résultats sont publiés dans la revue Cell Stem Cell .
Essais de nouvelles thérapies pour la fibrillation auriculaire
« Notre nouveau modèle nous permet d'étudier directement des tissus cardiaques humains vivants, ce qui était impossible jusqu'à présent », a déclaré Colin O'Hern. « Lorsque nous avons ajouté des molécules inflammatoires, les cellules cardiaques ont commencé à battre irrégulièrement. Puis, après l'administration d'un médicament anti-inflammatoire, le rythme s'est partiellement normalisé. C'était incroyable d'observer ce phénomène. »
Aucun nouveau médicament n'a été développé pour la fibrillation auriculaire depuis plus de 30 ans. Cette affection reste mal prise en charge car les traitements actuels ciblent généralement les symptômes plutôt que les mécanismes sous-jacents. Le développement de médicaments thérapeutiques pour la fibrillation auriculaire est entravé par l'absence de modèles animaux fiables reproduisant la maladie.
« Ce nouveau modèle permet de reproduire une pathologie qui est au cœur des problèmes de santé de nombreuses personnes », a ajouté Aitor Aguirre. « Il va permettre de nombreuses avancées médicales, et les patients peuvent s'attendre à des développements thérapeutiques accélérés, à la mise sur le marché de davantage de médicaments, plus sûrs et moins chers, car les entreprises pourront développer un plus grand nombre d'options. »
Comprendre le développement cardiaque et les maladies cardiaques
Dans cette étude, Colin O'Hern et ses collègues ont démontré que des cellules immunitaires innées à longue durée de vie, présentes dans certains organes, contribuent au développement et au rythme cardiaques. Ces informations permettent également aux chercheurs de mieux comprendre l'origine des cardiopathies congénitales, les malformations congénitales les plus fréquentes chez l'être humain.
Les chercheurs sont ensuite allés plus loin. Ils ont mis au point un système permettant de faire vieillir les organoïdes pour qu'ils ressemblent à des cœurs adultes en les exposant au type d'inflammation qui conduit à la fibrillation auriculaire.
Pour démontrer comment ce nouveau modèle peut servir à tester des thérapies contre les maladies cardiaques inflammatoires, l'équipe a administré un médicament anti-inflammatoire qui, d'après ses résultats, était censé traiter la fibrillation auriculaire. Ce traitement a permis de rétablir le rythme cardiaque normal.
Aitor Aguirre a expliqué que l'ajout de cellules immunitaires rend les modèles plus précis sur le plan physiologique que jamais auparavant.
« Nous constatons à présent comment le système immunitaire du cœur contribue à la fois à la santé et à la maladie », a-t-il déclaré. « Cela nous offre une perspective inédite sur la façon dont l'inflammation peut provoquer des arythmies et sur la façon dont les médicaments pourraient enrayer ce processus. »
Implications pour les recherches et les traitements futurs
Le manque de modèles humains physiologiquement précis et l'impossibilité de réaliser des tests sur des cœurs humains ont limité la découverte de nouvelles thérapies et de nouveaux médicaments pour traiter les arythmies comme la fibrillation auriculaire.
« Notre nouveau modèle d'organoïde cardiaque humain est sur le point de mettre fin à cette disette de 30 ans sans aucun nouveau médicament ni thérapie », a déclaré Aitor Aguirre.
Les technologies organoïdes d'origine humaine d'Aitor Aguirre soutiennent directement la mission des Instituts nationaux de la santé (NIH) relative aux nouvelles méthodologies d'approche, qui vise à moderniser la recherche translationnelle et à améliorer la prédictibilité des tests précliniques aux États-Unis.
Des chercheurs de l'Université d'État du Michigan collaborent désormais avec des partenaires pharmaceutiques et biotechnologiques pour examiner des composés afin de s'assurer qu'ils n'entraînent pas de lésions cardiaques tout en prévenant les arythmies.
L'équipe d'Aitor Aguirre a publié de nombreuses études, faisant de l'Université d'État du Michigan un chef de file mondial dans la recherche sur les organoïdes cardiaques humains, et Aitor Aguirre affirme que d'autres progrès sont à venir prochainement.
« Notre vision à long terme est de développer des modèles cardiaques personnalisés dérivés de cellules de patients pour une médecine de précision et de générer un jour des tissus cardiaques prêts pour la transplantation », conclut Aitor Aguirre.