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L’insuffisance cardiaque (IC) représente l’une des principales causes de morbidité et de mortalité au XXI^e siècle dans les pays développés. En Europe, l’IC est responsable de 5 % des admissions hospitalières en urgence, et représente environ 10 % de l’occupation des lits. Le pronostic de cette maladie est sombre, puisqu’un patient sur cinq décèdera dans l’année suivant son diagnostic, et le taux de décès à 5 ans est de plus de 50 %. Ainsi, en France, près de 500 000 personnes présentent une insuffisance cardiaque, on dénombre environ 120 000 nouveaux cas et 32 000 décès chaque année, et les coûts représentent 1-2 % du total des dépenses de santé. Les approches pharmacologiques (inhibiteurs de l’enzyme de conversion, bêta-bloquants…), la revascularisation, la réadaptation cardiovasculaire ont considérablement amélioré ce pronostic, mais restent des traitements symptomatiques, et les échappements ne sont pas rares. La transplantation cardiaque, qui constitue une solution ultime, est limitée par le nombre réduit de donneurs. Les approches de thérapie génique n’ont pas apporté tous les résultats escomptés. Les dispositifs d’aide mécanique ont des indications restreintes, et les nouvelles technologies de cœurs implantables sont encore en cours de développement.

L’une des causes principales de l’IC est l’ischémie myocardique. L’hypoxie puis la réponse inflammatoire entraînent la perte rapide et irréversible des cardiomyocytes adultes. Il n’existe pas, dans le muscle cardiaque, un stock important de cellules souches réparatrices, à l’inverse de l’abondance des cellules satellites présentes dans les muscles squelettiques. C’est donc un tissu fibreux cicatriciel, non contractile, qui va remplacer progressivement des portions de myocarde, entraînant un remodelage local puis global, une baisse de la fonction contractile, un effondrement progressif de l’efficacité hémodynamique.

Les cardiomyopathies dilatées non ischémiques (CMD) sont également à l’origine d’IC réfractaires progressives. Elles sont définies par une dilatation des cavités ventriculaires associée à une altération de la fonction contractile du myocarde. Leur étiologie n’est pas toujours expliquée, mais une origine génétique peut être établie dans un nombre croissant de cas. Les gènes identifiés à ce jour codent des protéines structurales du cytosquelette ou du sarcolemme (myosines, actines, troponine T, desmine, sarcoglycans, lamines, dystrophine…) [1]. Certaines pathologies neuromusculaires sont associées à une atteinte cardiaque évoluant vers une forme de CMD accompagnée d’insuffisance cardiaque grave, responsable en définitive du décès du patient myopathe. Il existe moins d’options thérapeutiques pour les CMD que pour les pathologies d’origine ischémique. Les CMD constituent environ 50 % des indications de transplantation cardiaque, et sont associées à des taux élevés de morts subites par arythmies ventriculaires.

Les mécanismes endogènes de régénération ne sont pas suffisants pour assurer la réparation de myocardes massivement endommagés, et cette constatation a amené de nombreuses équipes à tenter des approches de médecine régénérative, visant à repeupler ou revitaliser par des cellules des zones myocardiques lésées. Ces approches sont actuellement essentiellement basées sur la thérapie cellulaire, elles visent à remplacer les tissus fibrosés par des équivalents possédant des propriétés plus élastiques, à restreindre le remodelage, à restaurer une contractilité myocardique, à augmenter l’angiogenèse, à améliorer les conditions de survie des cellules localement présentes, à moduler les réponses inflammatoires, ou à recruter des cellules progénitrices locales ou circulantes. Ces approches thérapeutiques sont donc basées sur la restauration de fonctions nécessaires aux patients, plutôt que focalisées sur un type cellulaire en particulier. Ceci explique que de nombreux types cellulaires ont été proposés pour remplir ces offices, mais dont la pertinence clinique ultime a souvent été limitée par le manque de caractérisation phénotypique, les difficultés d’obtention, d’expansion, d’administration ciblée, d’intégration au sein du tissu cardiaque, et finalement le manque d’efficacité biologique avérée in vivo (Figure 1).

Figure 1. Types cellulaires testés en clinique, mécanismes discutés, et effets recherchés.

Figure 1. Types cellulaires testés en clinique, mécanismes discutés, et effets recherchés.

L’indication clinique peut dicter le choix d’un type cellulaire, ou d’un contexte immunologique. Ainsi un traitement préventif de l’IC en phase aiguë de l’ischémie myocardique fera appel à des cellules rapidement mobilisables, ne nécessitant pas de longs délais de cultures. Les traitements en phase chronique permettent l’utilisation de nombreux types cellulaires. Les approches autologues sont théoriquement préférées afin d’éviter les risques de rejet immunologique et de limiter les risques bactério-virologiques, mais les approches allogéniques ont pris progressivement une place importante dans cet arsenal. De nombreux essais cliniques sont en cours, soulignant encore, pour l’instant, l’absence de consensus quant au choix d’un candidat idéal.

De nombreux essais cliniques ont été réalisés depuis une quinzaine d’années, essentiellement dans les indications de l’IC post-ischémique, utilisant différents types cellulaires, et sous la promotion d’acteurs académiques ou privés. Les essais ouverts de phase I ont généralement fourni des résultats très enthousiasmants, des essais de phase II leur ont succédé et se sont conclus par des résultats mitigés. Plusieurs types cellulaires, dans différentes indications, font actuellement l’objet d’essais de phase III. Plusieurs milliers de patients ont été inclus, donnant lieu à de très nombreuses études.

Ainsi, pour ne citer que les essais à grands effectifs, l’efficacité des CSM (d’origine médullaire ou adipeuse) a été éprouvée au cours des essais APOLLO, C-Cure, CHART I, MESAD, POSEIDON, PRECISE, PROMETHEUS, REGENT, RENEW, SEED-MSC, STROMACELL, TRIDENT… Les cellules d’origine médullaire ont été testées au cours des essais ASTAMI, BAMI (en cours), BONAMI, BOOST, FOCUS, FINCELL, HEBE, REPAIR-AMI, TAC-HFT… Les cellules d’origine cardiaque (cardiosphères, cellules c-kit+) ont été testées dans les essais ALCADIA, DYNAMIC, CADUCEUS, SCIPIO, TICAP. Les myoblastes ont fait principalement l’objet de l’essai MAGIC [19].

Des méta-analyses, dédiées à des indications, à des types cellulaires ou à des voies d’administrations particuliers, ont été menées, regroupant parfois plus de 40 études et plus de 2 500 patients [20–23]. Ces analyses, globalement, notent une absence d’augmentation de la surmortalité des patients, mais aussi (et pas toujours) une légère amélioration de la fraction d’éjection du ventricule gauche (de 2.5 à 5.5 % selon les études) et une limitation du remodelage, une amélioration variable de la qualité de vie des patients. Elles donnent aussi des résultats contradictoires, suggérant des bénéfices seulement dans certaines indications (différenciant par exemple l’indication d’ischémie chronique de la situation d’infarctus aigu). Généralement, ces analyses mettent en évidence de grandes hétérogénéités entre les essais, les cohortes, les méthodologies d’inclusion et de mesures, et elles soulignent la nécessité de réaliser des cohortes plus larges, plus homogènes, et, idéalement, randomisées. De manière plus inquiétante, l’étude DAMASCENE [24] établit une corrélation positive entre les biais relevés par une lecture attentive, et l’efficacité revendiquée, et plaide pour une rigueur accrue.

L’applicabilité, la pertinence thérapeutique de ces approches sont beaucoup moins explorées dans les indications d’IC non-ischémique pour des raisons conceptuelles, médicales et techniques. La nature progressive de ces atteintes, l’extension de la fibrose et du remodelage, rendent le ciblage d’une zone spécifique plus difficile que lorsqu’il s’agit d’une cicatrice d’ischémie clairement délimitée. Alors qu’il est relativement aisé de créer des modèles expérimentaux d’IC post-ischémique par des ligatures coronaires chirurgicales, peu de modèles pertinents ont été développés qui miment la physiopathologie des CMD non ischémiques. Enfin, les mécanismes thérapeutiques à l’œuvre dans les indications ischémiques ne sont pas forcément les mêmes que dans les CMD non-ischémiques. Une synthèse récente [25] répertorie une quinzaine d’études cliniques de différentes envergures. La plupart rapportent une amélioration de la fraction d’éjection ventriculaire gauche (de 3 à 11 %), une amélioration des scores cliniques et de la qualité de vie des patients, une absence d’effet sur la surmortalité, mais une incidence plus élevée de troubles rythmiques. Ici encore, de fortes hétérogénéités sont notées concernant les critères d’inclusion, les procédures, les mesures. Plusieurs essais sont en cours : ALLSTAR, IMPACT-DCM, ixCELDCM, MiHeart, NOGA-DCM, POSEIDON-DCM, REGENERATE-DCM, Revascor…

De manière générale, l’hétérogénéité des études est liée notamment à la variabilité présentée par des patients ayant des caractéristiques et des parcours de vie différents : citons les co-morbidités associées, le degré de sédentarité, le genre, l’âge, la présence d’un tabagisme, la nature des lésions myocardiques, les traitements pharmacologiques associés… L’hétérogénéité peut aussi être liée aux cellules puisque le nombre de cellules disponibles, leur physiologie et leur activité, la nature de la délivrance, le nombre de doses… peuvent varier. Il sera nécessaire dans l’avenir de constituer des cohortes de patients plus importantes, et plus homogènes tant du point de vue de l’indication et des qualités des types cellulaires, que du point de vue de l’état physiologique des patients.

Le développement de traitements ne peut échapper à une étude des modèles économiques qui pourraient être mis en œuvre pour en assurer une dissémination [26]. En plus des acteurs académiques, de certaines grandes institutions ou de grands hôpitaux, de nombreuses compagnies privées sont ou se sont impliquées dans ces recherches de thérapie cellulaire de l’IC ; citons par exemple : Aastrom, Aldagen, Amorcyte, Angioblast, Arteriocyte, Baxter, Biocardia, Bioheart, Caprico, Celyad, Cytori, Genzyme, Harvest-Tech, Miltenyi, Osiris, Stempeutics, TCA, Teva Pharmaceuticals, Theravitae…

Le point le plus délicat est représenté par la production de cellules de qualité clinique. Le coût de production est lié au nombre d’étapes et à la quantité de matériels et réactifs nécessaires à la réalisation et à la validation d’un lot. Le risque, et sa maîtrise, son liés au nombre de lots produits par unité de temps. On peut donc opposer deux stratégies basées sur l’utilisation de cellules allogéniques, ou de cellules autologues.

Les cellules allogéniques sont produites à partir d’un ou plusieurs donneurs sains, définis par certains critères (âge, état de santé, activité et disponibilité des cellules…). Les cellules sont produites à grande échelle et constituent un lot unique faisant l’objet des contrôles de qualité. Puis elles sont conservées en petits aliquotes, et utilisées au moment des besoins. Une production peut suffire à plusieurs centaines de patients, et la production à grande échelle est économique sur le plan des réactifs et des installations. Le différentiel de coût devient très intéressant, par rapport au coût de production de cellules autologues, lorsque le nombre de patients à traiter dépasse les 200 000 [26]. Cependant, les cellules allogéniques sont, par définition, immunogènes pour le receveur, qui devra recevoir une immunosuppression coûteuse et risquée pour en éviter le rejet. Si la persistance des cellules n’est pas recherchée à long terme, mais seulement pour un temps correspondant à la synthèse de facteurs à effet paracrine, l’immunosuppression pourra être plus limitée, et par conséquent mieux tolérée. Le développement d’une sensibilisation immunitaire du receveur, lors de la première injection, empêche les possibilités de ré-administration ultérieure des mêmes cellules allogéniques (un lot provenant d’un donneur différent pourrait théoriquement être utilisé).

Les cellules autologues sont produites à partir du donneur lui-même. Selon le type cellulaire considéré, la préparation peut prendre plus ou moins de temps, et de longues cultures cellulaires ne peuvent être entreprises si le traitement doit être réalisé très rapidement. Chaque production est donc considérée comme un lot indépendant, qui doit être qualifié individuellement, et dont la qualité intrinsèque dépend de chaque donneur. Les risques sont augmentés, ainsi que les difficultés logistiques et les coûts. Dans un certain nombre de cas, les productions peuvent échouer pour des raisons inhérentes aux patients ou à la qualité de leurs cellules. L’avantage de l’approche autologue est qu’elle évite les risques de rejet, et donc à la fois les coûts et les risques liés à l’immunosuppression, tout en permettant les ré-administrations des mêmes cellules en cas de nécessité. L’approche autologue est donc intéressante dans le cas où les cellules sont administrées plusieurs fois, justifiant la production en grandes quantités et générant des économies d’échelle.

Des études précliniques et cliniques récentes suggèrent une efficacité clinique comparable des CSM autologues et allogéniques [27, 28]. S’il s’avère qu’un effet transitoire est suffisant, les cellules allogéniques pourraient prendre le dessus sur les applications autologues pour des questions de coût et de simplicité de mise en œuvre. Nous verrons un peu plus loin qu’il est même possible, dans l’avenir, que la présence-même des cellules ne soit pas une condition absolue… ce qui changerait tout à fait le paradigme de préparation de ces produits biologiques.

Outre les questions biologiques, la thérapie cellulaire se heurte à des questions de délivrance des cellules. La technique de transfert de cellules la plus utilisée jusqu’à présent repose sur des injections en des sites multiples directement dans une zone ciblée plus ou moins étendue (Figure 4).

Figure 4. Modalités de délivrance des cellules.

Figure 4. Modalités de délivrance des cellules.

L’injection peut être faite manuellement de manière sous-épicardique, ou à l’aide de cathéters empruntant la voie intra-coronaire ou endocardique (plus exceptionnellement, la voie rétrograde du sinus coronaire). Cette modalité d’administration n’est pas tout à fait satisfaisante pour plusieurs raisons : elle implique d’abord une trypsination des cellules qui les prive de leur ancrage naturel à une matrice ; elle projette les cellules sous pression, et sans protection dans un environnement qui n’est pas nécessairement favorable à leur intégration ; elle est peu précise et difficilement reproductible ; elle conduit à une dissémination de foyers intra-myocardiques potentiellement arythmogènes. Alternativement, les cellules peuvent être injectées dans la circulation cardiaque via un cathéter intra-coronaire, bloqué temporairement par un ballonnet gonflable. Cette technique ne permet aux cellules injectées qu’un temps de passage bref dans la circulation et leur réelle rétention est mal connue.

L’utilisation de biomatériaux s’impose progressivement en adjonction de cellules nues [14, 15]. Les biomatériaux « habillent » les cellules ; ils peuvent les protéger contre les effets de flux à l’injection ; ils augmentent la survie et la rétention précoce en fonction de leurs paramètres physico-chimiques ; ils peuvent mimer un environnement 3D à type de niche, et certains peuvent être fonctionnalisés par des facteurs de croissance ; ils peuvent renforcer la structure même des parois ou du myocarde en fonction de leurs propriétés physiques. Les différents types de biomatériaux sont les polymères naturels, les polymères synthétiques, les tissus décellularisés, voire les feuillets cellulaires (simples ou multiples) où les cellules se soutiennent mutuellement et se complètent fonctionnellement (Jackman, 2015). Les biomatériaux présentent différentes caractéristiques sur lesquelles il est possible de jouer selon la nécessité biologique, ou l’utilisation envisagée : structure (porosité ; géométrie du réseau ; fonctionnalisation ; dégradation) ; élasticité ; capacité d’induction angiogénique ou cardiogénique ; état physique (liquide, visqueux, semi-solide…).

Plusieurs équipes expérimentent l’application sur les zones pathologiques cibles des feuilles de cellules, ou de matrices cellularisées biodégradables à base d’alginates, de Matrigel, de fibrine, de polysaccharides, de gélatine, de collagène, dans différentes espèces animales (Souris, Rat, Cochon d’Inde, Mouton, Macaque) [29]. Certaines matrices favorisent la survie cellulaire et promeuvent l’angiogénèse locale, et dans des modèles post-ischémiques, ces greffons améliorent la fonction cardiaque [30, 31]. Des progrès restent à accomplir concernant l’intégration réelle de ces biomatériaux, leur vascularisation, leur colonisation par des cellules de l’hôte, et réciproquement la migration des cellules qu’elles contiennent vers le tissu cardiaque hôte. Ces résultats fondent l’utilisation de matrices biodégradables. Certains biomatériaux peuvent aussi être utilisés ex vivo pour participer à la production de tissu cardiaque, qui pourra être ensuite implanté directement sur la zone à traiter [32]. Lors de leur conception, il ne faut cependant pas négliger le côté pratique de leur utilisation, pour le médecin qui sera amené à les mettre en place.

Des techniques d’imagerie cellulaire ont été développées, ou mises à profit, pour suivre le destin de ces cellules que l’on voudrait promises à un engagement cardiaque [33]. Prises dans un état de flux permanent, il faut pouvoir en suivre l’état, le phénotype, l’activité, la migration, la différenciation ou la fonction in vitro et in vivo. Ces méthodes sont souvent complémentaires, directes ou indirectes, soit pour leurs hautes résolutions mises en œuvre dans les caractérisations in vitro (microscopie confocale, à deux photons, à super-résolution, analyse de seconde harmonique, spectroscopie Raman, imagerie photo-acoustique…), soit pour leurs capacités d’investigations de tissus épais mises en œuvre pour le suivi dans l’animal vivant (imagerie bioluminescente, imagerie par résonance magnétique ou tomographie par émission de positons, microscopie multimodale, tomographie à cohérence optique…) [33].

Trois constatations majeures, issues de l’expérimentation et des observations, commencent à s’imposer, et pourraient amener à changer progressivement de paradigme et de méthodologies : (1) dans de nombreuses études, l’effet bénéfique de l’injection des cellules persiste en dépit du faible nombre de cellules survivantes, en dépit de leur disparition ou de leur absence d’intégration ; cependant, les cellules qui présentent un réel phénotype cardiaque, une réelle capacité d’intégration, sont plus performantes ; (2) l’utilisation de biomatériaux, chez l’animal, peut améliorer la survie, la rétention et l’efficacité des cellules, et même certains biomatériaux sans cellules peuvent se révéler efficaces ; (3) enfin, les cellules libèrent des exosomes et des microvésicules qui contiennent de très nombreux composés de différentes natures capables d’interagir ensemble ou de se compléter, et qui sont probablement à l’origine de tout ou partie des bénéfices observés.

Une nouvelle catégorie d’essai a été initiée récemment. Dans l’essai ESCORT de phase I, des cellules ES engagées dans la différenciation cardiogénique et sélectionnées sur cet engagement ont été incluses dans un gel de fibrine. Au cours d’une opération de pontage coronaire, cette pièce de biomatériel a été fixée en regard de la zone d’infarctus, puis recouverte et immobilisée par un lambeau du péricarde entrouvert du patient. Cette méthode permet de maintenir la pièce en place, et il permet également de la nicher au sein de tissus vascularisés (Figure 5). Les cellules étant allogéniques, les patients reçoivent une immunosuppression transitoire stoppée au bout d’un mois. Les premiers patients ont été inclus dans cet essai, destiné avant tout à évaluer la tolérance et la sécurité des procédures et matériels, et il se déroule à ce jour sans incident [12, 13]. Cet essai est donc particulièrement innovant, car il repose sur l’utilisation de cellules pluripotentes spécifiées et sélectionnées, en combinaison avec un biomatériau, et il mise autant, sinon davantage, sur la production de facteurs à activité paracrine par les cellules que sur leur intégration structurale au myocarde.

Figure 5. Mise en place sous-péricardique d’un biomatériau.

Figure 5. Mise en place sous-péricardique d’un biomatériau.

S’il s’avère que les exosomes et microvésicules produits par des cellules engagées sont capables d’améliorer la fonction cardiaque, il pourra être légitime de vouloir substituer l’administration de cellules par l’injection de microvésicules purifiées. Celles-ci pourraient améliorer, temporairement, l’efficacité cardiaque, et l’on pourrait évoquer une stratégie thérapeutique « cell-based, cell-free » [14, 15]. Cependant, les bénéfices en seraient probablement transitoires, et nécessiteraient des injections répétées. L’utilisation de biomatériaux pourrait permettre une rétention prolongée de ces microvésicules au site de greffe. Une alternative consisterait à continuer d’utiliser des cellules, qui seraient choisies et sélectionnées pour leur capacité de production continue des vésicules les plus efficaces, et qui seraient implantées au titre de petites centrales de production.

Ces approches de médecine régénérative cardiaque ont été développées, chez l’homme, depuis une quinzaine d’années, à partir de concepts simples. De nombreux candidats de thérapie cellulaire ont été testés, avec des résultats mitigés, et il n’existe pas encore de consensus quant au type cellulaire préférentiel. Une compréhension plus fine des mécanismes d’action, le suivi des cellules, le développement de biomatériaux, permettent de progresser rapidement tous azimuts et de développer des concepts puis des approches innovantes. Un corollaire important de ces travaux dédiés à la santé humaine, est qu’ils permettent aussi une évolution rapide de la compréhension de la physiologie, de la biologie des cellules souches musculaires et cardiaques, et de la régénération musculaire, et qu’ils entraînent le développement de nouveaux outils. La prudence reste nécessaire, face aux incertitudes et aux variabilités de la biologie, aux risques d’erreurs et de mauvaises interprétations, aux excès d’enthousiasme. Les perspectives sont riches et nombreuses, la régénération ou au moins la préservation myocardiques restent des objectifs raisonnables.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Les auteurs souhaitent remercier particulièrement le Professeur Philippe Menasché pour ses conseils, recommandations, et relectures attentives de ce manuscrit, ainsi que Madame Tuy Nga Brignol pour son aide et ses conseils iconographiques.