Revêtements bioactifs à base de chondroitine sulfate et de facteurs de croissance pour applications vasculaires

Lequoy, Pauline (2015). Revêtements bioactifs à base de chondroitine sulfate et de facteurs de croissance pour applications vasculaires. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Malgré des avancées technologiques indéniables, l'efficacité des implants biomédicaux est encore limitée par les biomatériaux synthétiques qui les composent, notamment en raison de leur incapacité à générer une réponse biologique adéquate. En particulier, la guérison tissulaire autour des implants vasculaires reste problématique. Une étude de la littérature a montré que dans le cas des endoprothèses couvertes (tuyaux polymériques utilisés pour la réparation endovasculaire des anévrismes de l’aorte abdominale), le manque de guérison observé s’explique non seulement par l’inertie des biomatériaux utilisés mais aussi par le fait que l'implant est inséré dans un vaisseau malade favorisant la mort des cellules par apoptose et présentant une déplétion cellulaire marquée.
L'hypothèse à la base de ce projet est qu'un revêtement bioactif pourrait améliorer la guérison et la colonisation de l’implant par les cellules vasculaires et ainsi favoriser l’attachement de l’implant dans le vaisseau malade afin de prévenir les complications à long terme. Dans ce contexte, deux molécules anti-apoptotiques ont été sélectionnées pour développer le revêtement, la chondroitine sulfate (CS), un glycosaminoglycane de la matrice extracellulaire, et le facteur de croissance de l'épiderme (EGF) qui possède également un rôle important dans la guérison tissulaire. L'un des défis de ce projet est de préserver la bioactivité de ces molécules lors de leur immobilisation dans un revêtement.

Pour établir une preuve de concept, nous avons démontré qu'un revêtement CS+EGF obtenu par greffage covalent permet d'améliorer significativement la survie des cellules vasculaires humaines (cellules musculaires lisses, CMLV, et fibroblastes) sur les matériaux réalistes (PET, ePTFE). Après avoir transféré ce revêtement sur des implants commerciaux en ePTFE, des tests in vivo ont démontré une amélioration de la guérison grâce au revêtement bioactif, cependant la guérison n'a pas été totale dans la cavité anévrismale.

Pour améliorer la bioactivité du revêtement, un système de capture orienté basé sur la complémentarité de deux peptides (superhélices 'coiled-coil') a été utilisé pour immobiliser l'EGF sur CS. Cette immobilisation orientée a permis une meilleure efficacité de capture, ainsi qu'une augmentation marquée de la survie des CMLV par rapport au greffage covalent aléatoire utilisé précédemment. De plus, les travaux réalisés ont permis l'avancement de la compréhension des propriétés antiadhésives sélectives de CS par comparaison avec le dextrane carboxyméthylé.

Enfin, nous avons démontré que la polyvalence du système de capture orienté pour facteurs de croissance permet la co-immobilisation de deux facteurs de croissance, EGF et VEGF (facteur de croissance de l'endothélium vasculaire), et ce à des ratios variables. Les densités surfaciques ont été optimisées par simple changement de concentration lors de l'incubation. Des études cellulaires avec une gamme de ratios EGF/VEGF ont révélé un effet synergique des deux facteurs de croissance sur la survie des CMLV et des cellules endothéliales.

Les travaux menés ont permis de développer des revêtements bioactifs anti-apoptotiques qui améliorent la survie des cellules vasculaires et constituent une avancée vers la création d'endoprothèses bioactives. Il apparait également que la plateforme d'immobilisation coiledcoil présente un grand potentiel pour la construction de surfaces bioactives complexes et la compréhension du rôle de différents facteurs de croissance dans les comportements cellulaires.

Titre traduit

Bioactive coatings based on chondroitin sulfate and growth factors for vascular applications

Résumé traduit

Despite recent technological breakthroughs, the efficacy of biomedical implants is still limited by the synthetic nature of the polymers that are used, and more specifically their inability to generate an adequate biological response. In particular, tissue healing around vascular implants remains an important issue. A review of the literature has shown that in the case of stent grafts (polymeric cylinders with a metallic structure that are used for the endovascular aortic aneurysm repair), the lack of healing can be explained by the inertness of the materials, the high rates of apoptosis within the diseased vessel and significant cell depletion.

The hypothesis at the base of this project is that a bioactive coating may enhance the Healing and cell colonization of the implant with the aim to improve its attachment in the vessel and to prevent long-term complications. In this context, two anti-apoptotic molecules have been selected to develop the coating: chondroitin sulfate (CS), a glycosaminoglycan of the extracellular matrix, and epidermal growth factor (EGF) that also play an important role in tissue healing. Our challenge was then to immobilize those molecules without impairing their bioactivity.

As a proof of concept, we demonstrated that a CS+EGF coating that had been generated by covalent grafting significantly enhanced the survival of human vascular cells (smooth muscle cells and fibroblasts) on realistic polymeric materials (PET, ePTFE). After a successful transfer of the coating on commercial ePTFE implants, in vivo assays demonstrated an improvement of the healing in the aneurysm with the bioactive coating. However, we did not observe a complete healing in the aneurysmal cavity.

To enhance the coating bioactivity, an oriented capture system based on the affinity of two coiled-coil peptides, was used to immobilize EGF on CS. This oriented immobilization allowed higher capture efficiency that translated in a significant increase in smooth muscle cell survival compared to a random covalent grafting strategy. Moreover, this study provided insight on CS anti-adhesive properties when compared to those of carboxymethylated dextran.

Finally, the versatility of the oriented capture system was demonstrated through the coimmobilization of two distinct growth factors, EGF and VEGF (vascular endothelial growth factor). Surface density adjustment for the two proteins was readily achieved by changing the incubation concentrations. Cell culture assays performed by varying the EGF/VEGF ratios revealed a synergistic effect of both growth factors on smooth muscle cell and endothelial cell survival.

The work conducted in this thesis led to the development of bioactive anti-apoptotic coatings that enhance vascular cell survival. This constitutes a step towards the creation of bioactive stent grafts. Our results also underline the great potential of the coiled-coil oriented immobilization system for the development of complex bioactive surfaces and understanding of the roles of different growth factors on cell behaviour.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 165-193.
Mots-clés libres:	Composés bioactifs Synthèse. Endoprothèses Biocompatibilité. Dermatane-sulfate. Facteur de croissance épidermique. Protéines immobilisées. Apoptose. Cellules Adhésivité Aspect moléculaire. Biomatériaux. anévrisme de l’aorte abdominale, endoprothèse couverte, revêtement bioactif, immobilisation de facteur de croissance
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lerouge, Sophie
Codirecteur:	Codirecteur De Crescenzo, Gregory
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	21 déc. 2015 21:06
Dernière modification:	14 mars 2017 20:41
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1586

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