Development of an entirely biological tissue-engineered vascular graft (TEVG) assembled by weaving cell-assembled extracellular matrix (CAM) yarns : a transition from human to large animal

Les prothèses vasculaires synthétiques sont utilisées pour la revascularisation des membres inférieurs ischémiques ou pour la création d’abords vasculaire pour l’hémodialyse uniquement lorsque les vaisseaux sanguins du patient ne sont pas disponibles (état pathologique ou déjà utilisés) en raison de leurs faibles performances cliniques. En effet, l’implantation de ces matériaux entraînent une réaction à corps étranger, c’est-à-dire une réaction inflammatoire chronique, qui peut entraîner la thrombose ou la sténose suite à une hyperplasie intimale péri-anastomotique. Par conséquent, nous avons développé, par ingénierie tissulaire, une prothèse vasculaire entièrement biologique faite à partir d’un matériau naturel obtenu par culture de fibroblastes dermiques humains. Nous avons produit un feuillet manipulable et robuste en utilisant la capacité naturelle des cellules à déposer de la matrice extracellulaire (MEC) en grande quantité dans le fond des flasques de culture (cell-assembled extracellular matrix ou CAM). Le feuillet obtenu peut être découpé en bandes fines pour produire des fils biologiques. Ces fils sont ensuite assemblés par tissage pour créer une prothèse vasculaire. Cette méthode d’assemblage textile permet un contrôle des propriétés mécaniques de la prothèse vasculaire, une grande rapidité et une possible automatisation de la production. L’évaluation préclinique de la fonctionnalité de la prothèse vasculaire humaine in vivo n’est possible que dans des modèles xénogéniques immunosupprimés pour éviter le rejet de greffe. Or, ces modèles sont trop petits (souris, rats) ou extrêmement chers et soulèvent des questions éthiques importantes (primates non-humains). Ainsi, une prothèse vasculaire a été développée à partir de cellules d’un gros animal afin d’évaluer la fonctionnalité de cette dernière in vivo dans des conditions proches des conditions cliniques, c’est-à-dire dans un contexte de greffe allogénique, au sein d’un organisme immunocompétent et avec des dimensions de greffons adaptées. Par conséquent, au cours de cette thèse, la capacité des fibroblastes ovins, canins et porcins à produire des feuillets de CAM a été comparée aux fibroblastes humains. Des différences inter-espèces importantes ont été mises en évidence. Les cellules ovines ont produit les meilleurs feuillets et ceux-ci étaient similaires aux feuillets humains en matière de force et de composition. Les feuillets ovins ont ensuite été coupés pour produire des fils biologiques. Leurs propriétés mécaniques ont été évaluées et des implantations sous-cutanées en contexte allogénique dans le mouton (1 mois) ont été réalisées. Les fils biologiques allogéniques ont déclenché une réaction inflammatoire plus légère que celle observée envers les fils synthétiques. Enfin, des prothèses vasculaires ovines ont été produites par tissage à l’aide d’un métier à tisser circulaire fait sur mesure. Les prothèses vasculaires ovines tissées (diamètre interne moyen de 4,3 mm) avaient des propriétés mécaniques supra-physiologiques (pression à l’éclatement et rétention à la suture) et une faible perméabilité transmurale les rendant compatibles avec une implantation dans la circulation sanguine artérielle. Ainsi, cette étude démontre la faisabilité d’une approche textile avec le matériel ovin qui, par la suite, permettra d’évaluer la prothèse vasculaire ovine in vivo à long terme dans des conditions immunologiques, hémodynamiques et mécaniques proches des conditions cliniques. Ce modèle animal permettra la validation de cette nouvelle prothèse vasculaire et de se rapprocher des essais cliniquesSynthetic vascular grafts are used for revascularization of ischemic peripheral limbs or for hemodialysis access, only when autologous blood vessels are not available (due to pathological condition or previous harvest) because of their poor clinical performance. Indeed, their implantation leads to a foreign body reaction, i.e., a chronic inflammatory reaction, which can result in thrombosis or stenosis due to peri-anastomoses intimal hyperplasia. Therefore, we developed an entirely biological tissue-engineered vascular graft (TEVG) based on a natural material, i.e., the cell-assembled extracellular matrix (CAM), which is the result of long-term cultures of human dermal fibroblasts. We produced a robust CAM sheet using the natural ability of cells to deposit a large amount of extracellular matrix at the bottom of a culture flask. These CAM sheets can be cut into thin strips, or ribbons, to create CAM yarn. The yarn is then assembled by weaving into a vascular graft. This textile-inspired assembly method provides excellent control over the graft mechanical properties, rapid manufacturing and automatization possibilities. The in vivo evaluation of the human TEVG functionality is only possible in immunosuppressed animals to avoid rejection in a xenogeneic context. However, these animal models are either very small (mouse, rat) or extremely expensive and raise serious ethical concerns (non-human primates). Thus, we developed a large animal TEVG in order to evaluate the in vivo functionality of the graft in a more clinically relevant setting, i.e., an allogeneic context, in immunocompetent hosts, and with graft dimensions relevant to human use. Therefore, during this Ph.D. project, ovine, canine, and porcine fibroblasts were compared to human fibroblasts for their ability to form CAM sheets. Very important interspecies differences were observed. Ovine cells produced the best animal CAM sheets, and they were similar to human sheets in terms of strength and composition. Ovine CAM sheets were then cut to produce CAM yarn. CAM yarn mechanical properties were evaluated, and allogeneic subcutaneous implantations in sheep (1 month) were performed. The allogeneic CAM yarn triggered a minimal inflammatory response in comparison to synthetic threads. Finally, ovine TEVGs were woven using a custom circular loom. Ovine woven TEVGs (4.3 mm inner diameter) had supraphysiological mechanical properties (burst pressure and suture retention), and low water transmural permeability that are appropriate for an implantation in the arterial blood circulation. Thus, this study demonstrates the feasibility of a textile-inspired approach with ovine material that will allow for the long-term in vivo evaluation of the TEVG in immunologic, hemodynamic, and mechanic conditions close to the clinical conditions. This animal model will allow the validation of this new type of vascular graft in order to move towards clinical trial