Développement de revêtements polymériques bioactifs pour prothèses vasculaires synthétiques

Depuis plus de 60 ans, le développement de prothèses vasculaires de petit diamètre est un défi majeur dans le domaine de la recherche vasculaire. Au travers de ces recherches, il est rapidement apparu que l'interface idéale sang-matériau restait l'endothélium natif. Par conséquent, l'ingénierie tissulaire est devenue incontournable au développement de prothèses vasculaires performantes, via l'imitation des fonctions de l'endothélium ou des processus d'angiogenèse permettant l'endothélialisation des implants. D'une part, l'analyse des échecs des prothèses a permis l'identification de fonctions-clés de l'endothélium empêchant la sténose, à savoir la régulation de coagulation, limitant la thrombose, et le maintien de l'équilibre avec les cellules environnantes à travers l'inhibition de l'hyperplasie des cellules musculaires lisses. D'autre part, les avancées dans la compréhension des phénomènes biologiques impliqués dans l'angiogenèse permettent de mieux appréhender la façon dont la matrice extracellulaire (ECM) - et les nombreuses protéines qu'elle séquestre – influent sur l'adhésion, la migration et la prolifération des cellules endothéliales. À partir de ces recherches, nous avons développé des revêtements intelligents présentant les fonctions-clés de l'endothélium ainsi que des facteurs d'adhésion et de prolifération inspirés de l'ECM afin de permettre le recrutement et la croissance sélective des cellules endothéliales au sein de prothèses vasculaires synthétiques. En amont de ce projet de thèse, des structures non-tissées de polyéthylène téréphtalate (PET) ont été développées par une équipe partenaire pour former des prothèses synthétiques aux propriétés mécaniques adéquates, afin de pallier aux limites des prothèses de petit diamètre actuelles. Ces structures innovantes sont le substrat de départ utilisé pour le développement de notre revêtement bioactif. Étant donné que (i) les propriétés mécaniques, en particulier la compliance, étaient au centre de la conception de ces structures et que (ii) le PET est un matériau inerte, nous avons développé dans un premier temps une méthode chimique douce pour fonctionnaliser ces structures tout en conservant leur compliance. Cette étude constitue notre premier manuscrit, publié dans Journal of Materials Chemistry B (cf. Chapitre 4). En bref, le polyvinylamine (PVAm) a été utilisé en tant qu'agent d'aminolyse du PET dans l'hypothèse qu'il n'affecterait pas les propriétés volumiques des structures de PET, tout en apportant des groupements amines nécessaires aux modifications ultérieures.

Abstract

The development of small-diameter vascular grafts has been referred to as the quest for the Holy Grail in the vascular field for more than 60 years now. As research on such devices was growing, it soon became clear that the ideal blood-contacting interface remains the native endothelium. Accordingly, tissue engineering is required to develop effective vascular prostheses, through mimicking either the endothelium functions or the natural angiogenic processes leading to graft endothelialization. On the one hand, analyses of graft failures have helped identifying key functions of endothelial cells that prevent stenosis: those are the regulation of coagulation, avoiding thrombosis, and the control over neighboring cells, inhibiting smooth muscle cell hyperplasia. On the other hand, advances in angiogenesis biology have yielded insights into how the extracellular matrix (ECM) itself – as well as the numerous signaling molecules it sequesters – can affect endothelial cell adhesion, migration and proliferation. Building on those researches, we developed smart coatings, combining key features of the endothelium as well as ECM adhesive and proliferative cues for selective endothelial cell recruitment and growth within synthetic vascular grafts. Prior to this thesis project, polyethylene terephthalate (PET) non-woven structures were developed by a partner team as novel vascular grafts featuring appropriate mechanical properties. The latter being one of the drawbacks for small-diameter synthetic prostheses. We used those structures as a starting substrate to develop our bioactive coating. Considering that (i) mechanical properties, more specifically compliance, was a primary concern in the graft design and (ii) PET was an inert material, we first developed a non-damaging chemical method to provide those PET structures with reactive moieties while preserving the structure compliance. That study founded our first manuscript published in the Journal of Materials Chemistry B (Chapter 4). Briefly, polyvinylamine (PVAm) was used as a PET aminolysis reagent, assuming it would not affect the bulk properties of the PET structures while providing amino groups for subsequent surface biomodification. Aiming at the selective recruitment and growth of endothelial cells on those aminated surfaces, low-fouling components were included within our bioactive coatings. In that endeavor, polyethylene glycol (PEG) and dextran were used to repel cells, proteins and platelets, thereby yielding a bio-inert background. From there, natural peptides and proteins selected from the literature were then grafted through immobilization strategies featuring site-specificity, orientation and stability, required to preserve the tethered biomolecule activity and functions.