La matrice extracellulaire du cœur humain adulte améliore la fonction des cardiomyocytes dérivés d’iPSC humains via la maturation mitochondriale et métabolique

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I. Introduction au contexte scientifique

Les maladies cardiovasculaires, et en particulier l’infarctus du myocarde (myocardial infarction, MI), constituent l’une des principales causes de mortalité et d’incapacité dans le monde. Après un infarctus du myocarde, jusqu’à un milliard de cardiomyocytes (cellules cardiaques, CM) peuvent être perdus en quelques heures seulement. Cependant, le tissu cardiaque adulte présente une capacité de régénération extrêmement faible, ce qui fait que le cœur ne peut pas compter sur l’auto-réparation pour compenser les pertes cellulaires, menant ainsi à l’insuffisance cardiaque et à divers effets gravissimes. Pour résoudre ce problème, des chercheurs ont, au cours de la dernière décennie, activement exploré de nouvelles stratégies thérapeutiques basées sur la substitution cellulaire, en espérant « greffer » des cellules cardiaques exogènes afin de reconstruire la structure et la fonction du cœur endommagé.

Comparées à la transplantation directe de cellules somatiques, les cellules souches pluripotentes induites (iPSC, induced pluripotent stem cell) et les cardiomyocytes dérivés d’iPSC (iPSC-derived cardiomyocyte, iCM) présentent un potentiel remarquable pour la médecine régénératrice cardiaque, car elles peuvent, en théorie, être amplifiées indéfiniment, avoir une faible immunogénicité et se trouvent en abondance. Cependant, les protocoles de différenciation d’iPSC actuellement disponibles n’obtiennent que des iCM présentant un phénotype « immature » similaire à celui des cardiomyocytes fœtaux, nettement inférieurs aux cardiomyocytes adultes du point de vue structurel, métabolique et fonctionnel, ce qui limite fortement leur potentiel en thérapie régénérative, en modélisation de maladies et en criblage pharmaceutique.

Jusqu’à présent, les stratégies de maturation des iCM incluent la culture prolongée, la stimulation mécanique et électrique, ou l’ajout de facteurs chimiques inducteurs, mais l’augmentation de maturité reste limitée et ces méthodes sont complexes et chronophages. Depuis peu, certains chercheurs suggèrent d’utiliser la « mémoire de la matrice extracellulaire (extracellular matrix, ECM) » pour guider la différenciation et la maturation fonctionnelle des cellules souches. Il a été démontré que l’ECM n’est pas simplement un support passif pour les cellules, mais possède aussi une « mémoire » spécifique à un stade de développement ou à un type tissulaire donné, capable d’influencer le destin cellulaire via des signaux intégrés, la régulation moléculaire et des propriétés physiques multiples.

Sur ces bases, l’équipe d’auteurs s’est demandé : en utilisant une ECM obtenue par décellularisation de cœurs humains adultes comme microenvironnement de « préconditionnement » en amont de la différenciation des iPSC, serait-il possible « d’induire » plus efficacement la différenciation des iPSC vers la lignée cardiaque, et de promouvoir ainsi leur maturation fonctionnelle et métabolique vers un état proche de l’adulte ? Cette idée innovante répond directement au goulot d’étranglement actuel des protocoles iCM — le manque de maturité fonctionnelle et métabolique —, qui constitue un enjeu clé en médecine régénérative cardiaque.

II. Présentation de la publication

Cette étude, intitulée « adult human heart extracellular matrix improves human ipsc-cm function via mitochondrial and metabolic maturation », est réalisée par S. Gulberk Ozcebe, Mateo Tristan et Pinar Zorlutuna et leurs collègues, principalement affiliés à l’University of Notre Dame (USA) (départements de bio-ingénierie, génie chimique/biomoléculaire, et génie aérospatial/mécanique), et partiellement à l’Institut National des Sciences de la Santé Environnementale des États-Unis (NIEHS). L’article a été publié en 2025 dans la revue Stem Cells (Vol. 43, No. 5, Article ID sxaf005, DOI: 10.1093/stmcls/sxaf005) et constitue un apport original et récent dans ce domaine de recherche.

III. Détails de la méthodologie et schéma technique

1. Sujet d’étude et conception globale

L’étude utilise le tissu myocardique du ventricule gauche provenant de trois donneurs adultes anonymisés (30-50 ans, cœurs non utilisables pour transplantation) comme source d’ECM. Les étapes principales sont les suivantes :

  • (1) Préparation et caractérisation de l’ECM cardiaque adulte
  • (2) Culture d’iPSC humaines, prétraitement ECM et différenciation cardiaque
  • (3) Évaluation de la maturité des iCM (fonction, métabolisme, expression génique, etc.)
  • (4) Exploration des mécanismes moléculaires/constituants responsables de l’effet ECM
  • (5) Analyse des données et tests statistiques

2. Méthodes expérimentales détaillées

2.1 Préparation et caractérisation de l’ECM cardiaque adulte

À partir de trois cœurs adultes (30–50 ans), obtention d’échantillons de ventricule gauche, tranchés ( mm), et décellularisés comme suit :

  • Dé-lipidation + Décellularisation : bain de 1 % SDS pendant 24 h + Triton X-100 1 % 30 min pour éliminer cellules et lipides.
  • Élimination de l’ADN : DNase 50 U/mL en bain 8 h, rinçage final à l’eau déionisée.
  • ECM traitée, lyophilisée et pulvérisée à l’azote liquide, digérée à la pepsine, centrifugée, pH ajusté à la neutralité pour obtenir l’ECM en solution. La teneur totale en protéines est quantifiée (test BCA Rapid Gold), avec deux concentrations de travail : 0,01 mg/ml (1×) et 0,05 mg/ml (5×).

Un protocole alternatif « protection des vésicules extracellulaires (extracellular vesicle, EV) », est appliqué pour des groupes témoins ultérieurs.

  • Analyse de composition : Spectrométrie de masse (MS) pour l’identification et la quantification des protéines de l’ECM, comparaison des abondances relatives dans des cœurs jeunes, adultes et âgés, en mettant l’accent sur les protéines fonctionnelles de haute et basse abondance telles que collagène, glycoprotéines, protéoglycanes.

2.2 Culture d’iPSC, préconditionnement ECM et différenciation cardiaque

Utilisation d’une lignée iPSC humaine (dips 1016 seva, issue de fibroblastes cutanés) provenant du Harvard Stem Cell Institute, cultivée sur plaques recouvertes de Geltrex 1 %. Lorsque la confluence atteint 80–85 % :

  • Prétraitement ECM : 5 jours avant la différenciation, ajout d’ECM en solution (0,01 mg/ml ou 0,05 mg/ml) ou de quantité équivalente d’EV, changement de milieu tous les jours. Groupe contrôle : pas d’ajout.
  • Induction cardiaque classique : différenciation vers la lignée cardiaque via CHIR99021 + IWP-4 (inhibiteurs de la voie WNT), puis culture au milieu B-27+RPMI jusqu’au 30e jour de différenciation, aboutissant à un pool d’iCM.

2.3 Évaluation de la maturité et de la fonction

  • Phénotype fonctionnel cellulaire : microscopie couplée à un algorithme Matlab pour quantifier la contraction spontanée des iCM (vidéos, suivi des blocs d’images, calcul vitesse/amplitude/aire) ; Fluo-4 AM pour la dynamique du Ca²⁺, étude électrophysiologique et sensibilité pharmacologique (isoprénaline).
  • Structure du réseau mitochondrial : MitoTracker et imagerie confocale haute résolution, plugin ImageJ mitochondria analyzer pour analyzes quantitatives : surface mitochondriale, nombre de branches, jonctions du réseau, etc.
  • État métabolique énergétique : Analyseur Agilent Seahorse XF96 pour l’oxygène consommé (OCR) et le taux d’acidification extracellulaire (ECAR), calcul de la production d’ATP, caractérisation phénotypique énergétique (glycolyse/oxydation), etc.
  • Profil d’expression génique : RT-qPCR et Nanostring pour les gènes cardiaques (MYH6, MYH7, TNNT2, ATP2A2, etc.), normalisation sur GAPDH.
  • Analyse statistique : triplicats ou plus ; moyenne ± écart-type (SD) ; ANOVA à un facteur et test de Tukey post-hoc ; P,05 significatif.

2.4 Approfondissement des mécanismes de l’effet ECM

  • Groupes dénaturés/sonication ECM : Dénaturation protéique par bain-marie 80°C 3 h, comparaison de l’effet de l’ECM natif vs dénaturé sur la différenciation ; sonication de l’ECM pour libérer les vésicules, vs ajout d’EV purifiés. Comparaison de deux méthodes de décellularisation (SDS, PAA) pour la préservation des EV.
  • Comparaisons multiples : fonctions, structure, métabolisme, etc, pour élucider les composants d’ECM responsables de l’effet sur la maturation des iCM.

3. Méthodes d’analyse des données

  • Collecte/analyse automatisées, algorithmes Matlab pour le suivi de contraction, extraction automatique du Pic/temps de pic de Ca²⁺, batch analyses du réseau mitochondrial sur ImageJ, sortie quantitative pour tous les paramètres physiologiques et moléculaires, assurant standardisation et objectivité.

IV. Principaux résultats expérimentaux et raisonnement

1. Validation de la qualité de l’ECM cardiaque adulte décellularisée

Les trois échantillons (30–50 ans) traités (décellularisation-dé-lipidation-dé-ADN) ne présentent plus de cellules aux colorations H&E/Masson’s trichrome mais une structure ECM préservée. ADN résiduel < 50 ng/μl. MS révèle que l’ECM adulte se compose essentiellement de collagènes I, III, VI (>50%), avec présence de fibronectine, fibrilline, perlecan (HSPG2), galectin-1, etc. — tous des protéines liées au développement et à la fonction cardiaque.

2. Le prétraitement ECM améliore significativement la différenciation et la maturation fonctionnelle des iCM à partir d’iPSC

À J+30 de différenciation, par rapport au contrôle :

  • Phénotype : fraction cTnT+ (cardiac troponin T, marqueur cardiaque) passe de 80,9 % à 92,2 %; vimentine (marqueur fibroblastique) diminue fortement.
  • Fonction contractile : avec l’ECM forte dose, fréquence et vitesse des contractions augmentent significativement ; les cartes thermiques montrent une contraction synchronisée de type tissulaire ; avec surface similaire, l’ECM confère une activité mécanique accrue. Avec isoprénaline, raccourcissement de l’intervalle pic à pic, sensibilité accrue.
  • Électrophysiologie : iCM issus de la forte dose d’ECM présentent un profil d’action potentiel de type ventriculaire (présence d’un « shoulder », plateau prolongé en phase tardive), avec un APD90 augmenté.
  • Réseau mitochondrial : augmentation de la surface mitochondriale et du recouvrement ; mitochondries passant de sphériques/fragmentées à allongées/ramifiées/en réseau, multiplication des points de branchement, ce qui indique une maturation élevée des organites énergétiques.
  • Métabolisme énergétique : cartographie énergétique : ECM => plus d’ECAR et d’OCR basaux, augmentation globale d’ATP et de la respiration oxydative, hausse de la réserve glycolytique et de l’oxydation, signature d’un switch du métabolisme fœtal (basse énergie) vers adulte (élevée).
  • Transcriptome : sur l’ECM : MYH7, TNNT2, ATP2A2 augmentés significativement, hausse du ratio MYH7/MYH6 (shifting vers un profil adulte) ; gènes de prolifération et fœtaux (CTGF, NKX2-5, ACTA1, NPPA…) réduits, reflet d’une maturation accrue. Gènes pro-apoptotiques (CASP3, CASP9, BAX, BCL2L1) diminués, effet potentiellement protecteur de l’ECM.
  • Décryptage du mécanisme : avec ECM dénaturée, perte d’avantages fonctionnels et énergétiques, disparition du réseau mitochondrial, ce qui suggère que si des protéines abondantes (collagène, GF) impactent fortement la structure, elles ne sont pas à l’origine de l’effet fonctionnel principal. Groupes EV et sonication : certaines mesures équivalentes, indiquant que les EVs liés à l’ECM contribuent à la maturation énergétique et fonctionnelle, mais ne sont pas les seuls déterminants.

3. L’effet promoteur de l’ECM provient d’une synergie entre plusieurs composants

La MS et l’analyse groupée confirment : l’ECM adulte est un réservoir de composants variés (collagène, glycoprotéines, facteurs de croissance, GAG, vésicules, lectines) impliqués dans de multiples régulations. La simple dénaturation protéique ne supprime pas totalement l’effet, suggérant un rôle clé des petites molécules décoratives (GAG, HSPGs), signaux liés, exosomes, etc., dans la synergie. La « mémoire de matrice » impliquée dans la différenciation/maturation des iPSC agit donc selon de multiples voies.

V. Conclusion et importance

Cette étude montre que le « préconditionnement par ECM cardiaque adulte » favorise significativement la maturation de la différenciation des iPSC vers le lignage cardiaque sur les plans :

  • Structurel : formation accrue de cardiomyocytes matures ;
  • Fonctionnel : contractions spontanées ou sous stimulation médicamenteuse plus proches de l’adulte ;
  • Énergétique : réseaux mitochondriaux développés, support énergétique plus robuste, capacité de transition glycolytique/oxydative accrue ;
  • Moléculaire : transcriptome « adulte », apoptose et immaturité diminuées ;
  • Action synergique multi-composants, mettant en avant la supériorité du microenvironnement matriciel entier sur les protéines isolées.

Valeur scientifique et applicative

  • Signification scientifique : démontre de façon systématique comment une ECM adulte humaine accélère la matruration structurelle, fonctionnelle, énergétique et moléculaire des iCM, apportant la preuve expérimentale pour les théories de « mémoire tissulaire » et de contrôle du destin cellulaire via l’ECM.
  • Perspectives d’application : méthode simple, économique (prétraitement 5 jours), prometteuse pour la régénération cardiaque, la modélisation pathologique, le criblage pharmacologique, surmontant le blocage du manque de maturité de l’iCM, fondant la matière première d’une médecine régénérative personnalisée.
  • Points forts et innovations : (1) workflow innovant « préconditionnement+induction » en une seule étape, (2) première analyse systématique des effets respectifs des divers composants/traitements ECM sur la maturation cardiaque, (3) combinaison multi-omique du « structure-fonction-énergie » pour modéliser la maturation cardiomyocytaire.

VI. Compléments et perspectives

  • L’étude repose sur une unique lignée iPSC humaine ; des validations multi-lignes seraient bénéfiques à l’avenir.
  • Il n’existe pas de comparaison directe avec des ECM d’origine « xénogénique », mais la littérature indique une haute similitude de composition entre matrices humaines/porcines, suggérant un potentiel pour des applications à très grande échelle.
  • L’impact des acides gras et des voies métaboliques lipidiques (TCA cycle, etc.) sur la maturation induite n’a pas été approfondi, mais d’autres études suggèrent qu’un supplément de lipides pourrait amplifier la maturation métabolique.
  • Ce protocole offre une base pour des applications avancées, telles que l’impression 3D ou les organes sur puce, permettant de créer des « cœurs in vitro » plus proches de la réalité.

VII. Résumé

Dans leur étude publiée dans Stem Cells, S. Gulberk Ozcebe et al. proposent une stratégie pratique et efficace pour lever le verrou « immaturité des cardiomyocytes » dans la médecine régénérative cardiaque basée sur les iPSC. Par l’action concertée, complexe et mémorielle d’une ECM adulte humaine, il devient possible d’induire rapidement des iPSC en cardiomyocytes d’un phénotype structurel et métabolique bien plus adulte ; ce rôle n’est pas seulement lié aux protéines, mais implique aussi vésicules, glycosaminoglycanes et glycoprotéines. Cette méthode accélérera considérablement la standardisation de l’iCM pour la réparation cardiaque, les modèles pathologiques et le criblage pharmacologique, et jettera les bases d’avancées futures dans la compréhension des processus de spécification cellulaire sous contrôle ECM, les applications inter-espèces et l’ingénierie tissulaire de pointe.