Vision d’avenir : un interrupteur pour le cœur

4. mai 2012
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La médecine régénérative permet de développer des organes entiers à partir de cellules souches. Du côté de la recherche, les stimulateurs cardiaques seront un jour remplacés par des cellules pluripotentes. Le nombre de cycles pourra être réglé au cas par cas par des impulsions lumineuses.

Cette technique est directement intégrée au cœur et peut sauver des vies. Le stimulateur indique à la pompe sanguine la vitesse à laquelle elle doit travailler, mais il ne peut pas être comparé à la durée de vie et la qualité d’un stimulateur naturel. Après quelques années, la batterie arrive à sa fin. Le mouvement constant tire aussi sur les câbles, de sorte que la fatigue mécanique provoque parfois un dysfonctionnement ou même un accident cardiaque.

Ne serait-il pas excitant que de l’électronique dans une boîte en métal puisse être remplacée par des contrôles biologiques? Une manière d’y arriver pourrait passer par les cellules souches. Des études antérieures sur la réparation du muscle cardiaque lésé n’avaient pas été très prometteuses. Les cellules souches utilisées avaient perturbé le rythme des cardiocytes restants. Des résultats provenant de l’université californienne de Stanford laissent espérer que la technologie des cellules souches pourrait apporter à long terme un tout nouveau type de stimulateur cardiaque. Là-bas, une équipe de biologistes des systèmes, des ingénieurs et des médecins ont créé un stimulateur cardiaque moléculaire à base de cellules souches embryonnaires qui peut être contrôlé de l’extérieur. Les résultats furent publiés à l’automne dernier dans le prestigieux « Biophysical Journal. »

Propulsion optogénétique : battre au rythme de la lumière

Le laboratoire de Karl Deisseroth étudie l’utilisation médicale des méthodes optogénétiques sur les cellules nerveuses. Les chercheurs y activèrent des neurones grâce à des impulsions lumineuses, ils purent alors retracer le chemin emprunté par le signal. Grâce au génie génétique, son collaborateur Oscar Abilez réussit à fabriquer des cellules souches embryonnaires sensibles à la lumière. A cet effet, il introduisit des channelrhodopsin-2 dans la membrane des cellules souches. Le canal pour les ions sodium provient d’algues vertes et peut être stimulé et ouvert avec de la lumière bleue.

A partir des cellules souches, des cellules musculaires cardiaques ont été générées par différenciation ciblée. Enfin, des impulsions de lumière bleue de 480 nm transforment les cellules en culture en des générateurs cellulaires potentiels. En utilisant la technique de patch-clamp, les bio-ingénieurs enregistrèrent la force du stimulus, et la vidéo-microscopie permit de déterminer la fréquence de la pulsation musculaire. Les cellules battirent en mesure conformément à la séquence temporelle d’impulsions lumineuses prédéterminée.

Simulation par ordinateur : le stimulateur biologique

Est-ce que ce simple modèle in vitro peut être appliqué au cœur humain? Pour clarifier ce point, Abilez alla dans le laboratoire voisin d’Ellen Kuhl. Elle travaille sur un modèle informatique du corps humain. Avec les données expérimentales de ses cellules souches, un stimulateur biologique humain put être simulé, du moins par ordinateur. Le modèle virtuel montra comment des cellules souches placées à différents endroits dans le cœur affectent la transmission de signaux et permit ainsi de trouver la position de stimulation optimale.

Un arrêt cardiaque par signal lumineux

Un stimulateur cardiaque cellulaire entraîné par des signaux lumineux – une telle expérience fut publiée par des chercheurs de San Francisco, de Fribourg et Dresde il y a déjà un an et demi dans «Science». Dans cet article, ils utilisèrent des cellules du muscle cardiaque du poisson-zèbre, auxquelles ils intégrèrent à la fois un commutateur (Channelrhdopsin-2) et une halorhodopsin comme interrupteur. La halorhodopsin est une pompe à ion activée par la lumière (jaune) qui transporte les ions chlorure chargés négativement dans la cellule et ainsi inhibe les flux existants. Avec la combinaison des deux protéines dans la membrane, et de la lumière bleue ou jaune, Aristides Arrenberg et ses collègues générèrent des tachycardies, des bradycardies ou des arrêts cardiaques chez le poisson.

Les développeurs souhaitent que dans ce potentiel stimulateur cardiaque biologique, les cellules implantées puissent, grâce à des signaux lumineux, s’adapter à l’horloge existante. La source de lumière peut se situer dans une autre région du corps ou même à l’extérieur et les signaux seraient acheminés par fibre optique vers les cellules pacemaker implantées. En utilisant des cellules souches autologues, le rejet ou l’intolérance du greffon autologue ne serait pas un problème. Idéalement, les cellules dont les battements sont synchronisés s’intégreraient rapidement au muscle cardiaque naturel.

Contrôle métabolique et comportemental avec une lampe

En 2010, «Nature» nomma l’optogénétique « méthode de l’année ». Il y a dix ans, les chercheurs allemands Ernst Bamberg, Georg Nagel et Peter Hegemann découvrirent la première protéine de canal ionique sensible à la lumière. Trois ans plus tard l’ère de l’optogénétique commença quand Alexandre Gottschalk de l’Université de Francfort introduisit ce gène dans des vers nématodes. Les impulsions lumineuses amènent les cellules à émettre des signaux. Depuis, cette méthode a été beaucoup utilisée, en particulier dans des études qui touchent au système nerveux : des mouches femelles effectuent des parades nuptiales sous l’influence de la lumière bleue, des souris se réveillent doucement de leur sommeil profond ou perdent leur crainte naturelle, selon l’endroit où les neurones correspondants sont activés. Mais des interrupteurs moléculaires activés par la lumière peuvent aussi être utilisés dans d’autres systèmes. En octobre dernier, DocCheck apporta des informations sur la production de l’hormone peptidique GLP-1, un élément important dans le métabolisme de l’insuline au niveau des cellules rénales.

Peut-être que dans une à deux décennies, les générateurs de rythme cardiaque métalliques appartiendront déjà au passé. À leur place, une lumière bleue rythmique illuminera une colonie de cellules musculaires cardiaques implantées qui transmettront leurs signaux à leur voisinage. Et cela sera adaptable au cas par cas sans fil et sans dépenses importantes.

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1 commentaire:

Excellents rêves de chercheurs !
Mais lequel de ces stratégies se rapporte plus de la réalité et du confort du patient? La médecine régénérative à mon avis. Donc le mieux qu’on attend pour le c¿ur, c’est la régénération myocardique par les cellules souches. Les dispositifs médicaux implantables doivent vite appartenir à l¿histoire.

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