New approaches to the design of a small-diameter vascular graft from fetal origin and preliminary evaluations in arterial bypass surgery in large animals
Nouvelles approches dans la conception d'un substitut vasculaire de petit diamètre d'origine fœtale et premières évaluations de pontage artériel chez le gros animal
Résumé
Cardiovascular diseases are responsible for nearly one-third of all deaths worldwide. Among the vascular treatments proposed, arterial bypass surgery remains the most effective treatment to restore long-term revascularization. Currently, the vascular substitutes of choice for bypass surgery are autologous vessels, but their recovery involves an invasive surgical procedure. Synthetic vascular prostheses are available, but they are unsuitable for the replacement of small vessels. Their use leads to complications such as thrombosis, probably due to a defect in the functionalization of their internal surface. A small caliber vascular graft integrating a luminal cellular component produced by vascular tissue engineering (TEVG) could address this issue and present a potential therapeutic alternative. In this context, we propose our graft, developed from a decellularized human umbilical artery and whose luminal surface is coated with an extracellular matrix extracted from Wharton's jelly (WJ-ECM) and then cellularized by mesenchymal stem cells (WJ-MSC) derived from this same fetal tissue. This proposal is based on the scaffold/cell synergy, optimized by an innovative "inside-out" method allowing easy access to the luminal surface of the artery, a critical zone whose modifications directly impact the behavior of the substitute in vascular conditions. The first major part of my thesis consisted in the optimization of the different components of the graft, and in particular the WJ-ECM whose extraction was redesigned in order to be suitable for a clinical use. The characterization of this new biomaterial allowed to identify collagen as its main component, to which is added various matrix proteins playing an important role in cell adhesion and proliferation. Moreover, the decellularization protocol of WJ showed a very good efficiency assuming its possible use in allogenic condition without induction of an immune reaction. My results showed that the WJ-ECM is hemocompatible, perfectly biocompatible and presenting possibilities of functionalization. The second major part of my thesis consisted in the development of the vascular graft and the study of its mechanical properties confirming its capacity to be used in a vascular context. This study allowed to determine that the inversion of the artery does not impact its mechanical properties. The third part consisted of a preliminary study of the graft in several arterial bypass models in pigs, evaluating its integration capacity, its immunogenicity and its short- and medium-term patency. This project has demonstrated the particular interest that the WJ-ECM can have as a promising biomaterial in tissue engineering, as it is a product of human origin, easily isolable, biocompatible and can be functionalized in according to the desired application. On the other hand, although the in vivo study is still preliminary, our graft could present a therapeutic solution of choice by offering a ready-to-use product, which can be grafted by minimally invasive robotic techniques avoiding a very invasive surgery to the patient involving a long convalescence period.
Les maladies cardiovasculaires représentent près d'un tiers des décès dans le monde. Parmi les traitements vasculaires proposés, le pontage artériel reste le traitement le plus efficace pour restaurer une revascularisation à long-terme. A l'heure actuelle, les substituts vasculaires de choix pour les pontages restent les vaisseaux autologues mais leur récupération implique un acte chirurgical invasif. Il existe des prothèses vasculaires synthétiques mais celles-ci sont inadaptées pour le remplacement de vaisseaux de petit calibre. Leur utilisation entraîne des complications telles que la thrombose, probablement due à un défaut de fonctionnalisation de leur surface interne. Un greffon vasculaire de petit calibre intégrant une composante cellulaire luminale produit par ingénierie vasculaire (TEVG) pourrait remédier à cette problématique et présenter une alternative thérapeutique potentielle. Dans ce contexte, nous proposons notre greffon, développé à partir d'une artère ombilicale humaine décellularisée et dont la surface luminale est recouverte avec une matrice extracellulaire extraite de la gelée de Wharton (MEC-GW) puis cellularisée par des cellules souches mésenchymateuses (CSM-GW) provenant de ce même tissu. Cette proposition se base notamment sur la synergie structure/cellules, optimisée par une méthode innovante de retournement permettant d'accéder facilement à la surface luminale de l'artère, zone critique dont les modifications impactent directement le comportement du substitut face aux conditions vasculaires. La première grande partie de ma thèse a consisté en l'optimisation des différents composants du greffon, et notamment la MEC-GW dont l'extraction a été repensée afin de convenir à une utilisation clinique. La caractérisation de ce nouveau biomatériau a permis d'identifier le collagène comme étant son principal composant, auquel s'ajoute différentes protéines matricielles jouant un rôle important dans l'adhésion et la prolifération cellulaire. De plus, le protocole de décellularisation de la GW a montré une très bonne efficacité supposant sa possible utilisation en condition allogène sans induire de réaction immunitaire chez l'hôte. Mes résultats ont montré que la MEC-GW est hémocompatible parfaitement biocompatible, et présentant des possibilités de fonctionnalisation. La deuxième grande partie de ma thèse a consisté au développement du greffon vasculaire et l'étude de ses propriétés mécaniques confirmant sa capacité à être utilisé dans un contexte vasculaire. Cette étude a notamment permis de déterminer que le retournement de l'artère n'impacte aucunement ses propriétés mécaniques. La troisième partie a consisté en une étude préliminaire du greffon dans plusieurs modèles de pontages artériels chez le porc évaluant sa capacité d'intégration, son immunogénicité ainsi que sa perméabilité à court et moyen terme. Ce projet a démontré d'une part l'intérêt particulier que peut porter la MEC-GW en tant que biomatériau prometteur en ingénierie tissulaire, comme étant un produit d'origine humaine, facilement isolable, biocompatible et pouvant être fonctionnalisé selon le contexte visé. D'autre part, bien que l'étude in vivo soit encore préliminaire, notre greffon pourrait présenter une solution thérapeutique de choix en offrant un produit prêt à l'emploi, pouvant être greffé par des techniques robotiques mini-invasives évitant une chirurgie très lourde au patient impliquant une longue période de convalescence.
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