Heart-on-a-chip for drug screening and disease modeling

Abstract

La technologie cœur sur puce (HOC) s’est imposée comme une approche puissante pour reproduire in vitro les propriétés structurelles, mécaniques et fonctionnelles du cœur natif, permettant la création de plateformes physiologiquement pertinentes pour le criblage pharmacologique et la modélisation des maladies. Cette thèse présente une série d’études portant sur la conception, la fabrication et la validation de systèmes HOC basés sur des biomatériaux, la bioconstruction 3D et des cellules souches dérivées de patients, afin de répondre aux limites des modèles cardiaques conventionnels (par exemple, les modèles animaux). Dans la première étude, des encres bioactives composites ont été développées en combinant la gélatine méthacryloylée, l’alginate méthacrylate et l’oxyde de graphène réduit afin de créer des tissus cardiaques bioimprimés en 3D possédant des propriétés électromécaniques adaptées. L’encre optimisée a démontré une résistance mécanique, une conductivité et une imprimabilité améliorées, tout en maintenant une forte viabilité cellulaire, une bonne organisation et une contractilité efficace de plusieurs types cellulaires cardiaques. Ces constructions en forme d’anneau ont été intégrées dans une plateforme HOC automatisée à haut débit, comportant des paires de piliers flexibles, validant leur utilité pour des applications à grande échelle en recherche cardiaque. Dans la deuxième étude, une méthode innovante a été développée pour mesurer simultanément et de manière continue les contraintes contractiles à l’échelle micro- et macroscopique, à l’aide de capteurs de stress microsphériques ultrasouples, marqués en bordure. Intégrés dans des tissus cardiaques humains ingénierés (EHTs) à base de fibrine/Geltrex, ces capteurs se déformaient sous l’effet de l’activité contractile, permettant la visualisation et la quantification des contraintes locales. Le déplacement des piliers a également été utilisé comme méthode de mesure des forces contractiles à l’échelle tissulaire. La plateforme a ensuite été validée par l’application d’agents pharmacologiques, révélant des effets distincts sur la fonction contractile et soulignant l’importance de la composition et de la rigidité de la matrice extracellulaire dans la modulation de la contractilité. Dans la troisième étude, un modèle personnalisé de cardiomyopathie dilatée (DCM) a été élaboré à partir de cardiomyocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites humaines provenant de patients atteints de DCM. Co-cultivés avec des fibroblastes cardiaques humains et intégrés avec des billes fluorescentes, les EHTs ont présenté des phénotypes spécifiques à la maladie, notamment une désorganisation cellulaire, une altération de la gestion du calcium, une réduction de la force contractile et des arythmies ventriculaires. Des effets inotropes et chronotropes ont été observés après traitement à la noradrénaline, confirmant la réactivité de la plateforme à une intervention thérapeutique connue et son applicabilité en médecine personnalisée. Dans l’ensemble, cette thèse fait progresser le domaine de l’ingénierie tissulaire cardiaque en intégrant des innovations en biomatériaux, des technologies de mécanosensibilité et des cellules souches dérivées de patients dans des modèles HOC fonctionnels. Ces plateformes constituent des outils à haute fidélité pour l’étude de la physiologie cardiaque, la compréhension des mécanismes pathologiques et l’évaluation préclinique de médicaments. Heart-on-a-chip (HOC) technology has emerged as a powerful approach to replicate the structural, mechanical, and functional properties of the native heart in vitro, enabling physiologically relevant platforms for drug screening and disease modeling. This thesis presents a series of studies focused on the design, fabrication, and validation of HOC systems using biomaterials, bioprinting, and patient-derived stem cells to address key limitations in conventional cardiac models (e.g., animal models). In the first study, composite bioinks were developed by incorporating gelatin methacryloyl, alginate methacrylate, and reduced graphene oxide to create 3D bioprinted cardiac constructs with suitable electromechanical properties. The optimized bioink demonstrated enhanced mechanical strength, printability, and conductivity while supporting high cell viability, alignment, and contractility of multiple cardiac cell types. These ring-shaped constructs were integrated into an automated high-throughput HOC featuring flexible pillar pairs, validating their utility for scalable applications in cardiac research. In the second study, an innovative approach was established for simultaneous and continuous measurement of contractile stresses at micro- and macro-scales using ultrasoft edge-labeled microspherical stress gauges. Embedded within fibrin/Geltrex-based engineered heart tissues (EHTs), these ultrasoft mechanosensors deformed in response to contractile activity, enabling the visualization and quantification of local stress patterns. The pillar deflection was also used as the tissue-scale contractile measurement method. The platform was further validated with pharmacological agents, revealing distinct effects on contractile function and highlighting the importance of extracellular matrix composition and stiffness in modulating contractility. In the third study, a personalized disease model of dilated cardiomyopathy (DCM) was developed using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes from DCM patients. Co-cultured with human cardiac fibroblasts and integrated with fluorescent beads, the EHTs exhibited disease-specific phenotypes, including disrupted cell organization, impaired calcium handling, reduced contractile strength, and ventricular arrhythmias. Inotropic and chronotropic effects were observed upon norepinephrine treatment, confirming the platform’s responsiveness to therapeutic intervention with known effects and its applicability in precision medicine. Collectively, this thesis advances the field of cardiac tissue engineering by integrating biomaterial innovation, mechanosensing technology, and patient-specific stem cells into functional HOC models. These platforms offer high-fidelity tools for evaluating cardiac physiology, understanding disease mechanisms, and facilitating preclinical drug testing.