Effets de divers stimuli sur les caractéristiques des cardiomyocytes en culture dans le but de définir les conditions optimisées pour la fabrication de tissu cardiaque de remplacement

Abstract

Encore en 2015, un grand nombre d’individus décèdent de pathologies du rythme cardiaque non contrôlées ou d’un manque de disponibilité de donneurs d’organes compatibles. Le génie tissulaire en créant, réparant ou améliorant la fonction des tissus est une option prometteuse afin de diminuer la mortalité associée à ces pathologies. L’objectif global de mon projet de recherche était de développer des outils et d’étudier l’impact fonctionnel des différents stimuli (mécanique et électrique) de l’environnement cardiaque dans le but de définir des conditions optimisées de culture pour la fabrication de tissu de remplacement par génie tissulaire. Cette thèse présente le développement d’un bioréacteur; un système qui optimise les conditions pour la culture cellulaire. L’efficacité du bioréacteur est validée par des expériences de culture cellulaire qui se concentrent sur la prolifération cellulaire, l’organisation cellulaire, l’expression génique et protéique de même que sur l’activité contractile spontanée. En premier lieu, nos résultats montrent, bien que la fréquence de contraction moyenne mesurée reste inchangée, une augmentation significative du nombre de cas de réentrées pour les cultures sur verre comparativement aux cultures sur Polydimethylsiloxane. Une augmentation de l’instabilité spatiotemporelle a été démontrée lorsque les cardiomyocytes étaient déposés sur un support de Polydimethylsiloxane et cette dernière corrèle avec une diminution non-significative de l’ARNm de la connexine-43 et une augmentation significative de l’ARNm pour CaV3.1 et HCN2. La culture sur Polydimethylsiloxane est également associée avec une plus forte réponse à l’isoprotérénol (β-adrénergique) et à l’acétylcholine (parasympathique). En second lieu, nous présentons les résultats du développement de notre bioréacteur en mettant l’emphase sur les caractéristiques (composantes accessibles, étirement uniaxial, électrode de carbone, stimulation biphasique) tout en validant notre approche pour optimiser les conditions de culture et améliorer la rentabilité des étapes de production du tissu de remplacement. Pour finir, nous partageons une nouvelle approche d’évaluation des caractéristiques contractiles de cellules cardiaques en culture. Nous avons développé des algorithmes qui utilisent les données de vidéomicroscopie pour valider l’impact de stimuli, évaluer l’hétérogénéité du signal enregistré et détecter des conditions favorables au développement d’arythmies.

In 2015, there are still a large number of people who die due to diseases of uncontrolled heart rhythm or due to lack of availability of compatible donor organs. Tissue engineering aim to create, repair or improve the function by different techniques. Tissue engineering is a viable option to reduce the mortality associated with many heart conditions. The overall goal of my PhD research was to study the functional impact of different stimuli in cardiac environment (mechanical and electrical stimulation) on cardiac cell cultures. This, in order to define optimized culture conditions for the production of replacement tissue using tissue engineering. This thesis presents the stages of creation and development of a bioreactor; a system that permits the culture of cardiac cells by integrating various stimuli. The optimization of culture conditions by using the bioreactor was confirmed by cell culture experiments that focus on cell proliferation, cell organization, gene and protein expression as well as on spontaneous activity. In the first place, our results show that although mean frequency of spontaneous activity remained unaltered, incidence of reentrant activity was significantly higher in samples cultured on glass compared to PDMS substrates. Higher spatial and temporal instability of the spontaneous rate activation was found when cardiomyocytes were cultured on PDMS, and correlated with decreased connexin-43 (unsignificant) and a significant increased CaV3.1 and HCN2 mRNA levels. Compared to cultures on glass, cultures on PDMS were associated with the strongest response to isoproterenol (β-adrenergic) and acetylcholine (parasympathetic). Secondly, we present the design of our bioreactor with an emphasis on its characteristics and by putting in perspective the relevance of our approach to optimize culture conditions and to improve profitability culture experiences and production stages of replacement heart tissue. Finally, a new approach is proposed to evaluate the characteristics of the contractile cells in culture which allows to validate the functional impact of stimuli, evaluate the heterogeneity in the beating behavior of the cells and to detect localized abnormal activity that could favour arrhythmia.