Conception et évaluation d’un stent actif pro-cicatrisant basé sur la polydopamine, un polymère biocompatible et bioinspiré

par Adrien Hertault

Thèse de doctorat en Pathologie cardiorespiratoire et vasculaire

Sous la direction de Jonathan Sobocinski.

Soutenue le 25-10-2019

à Lille 2 , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Lille) , en partenariat avec Médicaments et Biomatériaux à Libération Contrôlée (laboratoire) et de Médicaments et biomatériaux à libération contrôlée: mécanismes et optimisation (laboratoire) .


  • Résumé

    Introduction : La resténose intra-stent (RIS) est induite par une prolifération incontrôlée des cellules musculaires lisses (CML) après l'implantation d'une stent métallique nu (BMS). Elle est associée à la récurrence des symptômes et à des coûts de santé supplémentaires. Les stents à élution médicamenteuse, dits « actifs », ont démontré leur efficacité sur la RIS, mais induisent un risque élevé de thrombose aiguë tardive due à une réendothélialisation tardive des mailles. La polydopamine (PDA), un polymère biocompatible inspiré du mucus secrété par les moules, promouvrait la prolifération de cellules endothéliales (CE) et inhiberait la prolifération des CMV in-vitro, ce qui suggère un effet pro-cicatrisant potentiel sur la paroi vasculaire. De plus, la polydopamine exprime des fonctions amines, catéchols et quinones à sa surface et peut être utilisée comme ancrage pour un autre agent thérapeutique. Le but de ce travail était 1) d'évaluer l'impact d'un stent enduit de PDA sur la RIS, 2) de concevoir un stent vasculaire à base de PDA délivrant une autre substance pro-cicatrisante, l'hémine.Méthodes : Dans la première partie de cette étude, les revêtements PDA étaient obtenus par immersion de disques de cobalt-chrome ou de stents dans une solution de dopamine. La biocompatibilité et l'hémocompatibilité étaient vérifiées in vitro. Le potentiel pro-cicatrisant était étudié in vitro par culture d'EC et de CML d'origine humaine sur les différents échantillons. L'effet pro-cicatrisant était étudié in-vivo après implantation de stents en position aortique chez le rat. La RIS était évaluée en microscopie optique par quantification du rapport néointima/media (n/m) après coloration éosine/hématoxilline. La qualité de la réendothélialisation des mailles était évaluée par microscopie électronique à transmission (MET). Les voies moléculaires potentiellement impliquées dans un effet pro-cicatrisant étaient étudiées par analyses Western Blot.Dans la deuxième partie de ce travail, les surfaces revêtues de PDA étaient modifiées avec de la polyéthylèneimine (PEI) pour améliorer l'expression des fonctions amines. Ce revêtement modifié était caractérisé et sa cytocompatibilité évaluée in vitro. Cette surface modifiée était ensuite utilisée pour immobiliser l'hémine. Les surfaces fonctionnalisées étaient caractérisées et la quantité d'hémine greffée déterminée. L'effet pro-cicatrisant potentiel du stent à l'hémine était évalué in vitro et in vivo.Résultats : Les surfaces de PDA démontraient un effet pro-cicatrisant in-vitro par rapport au chrome-cobalt nu. Les stents PDA montraient une réduction significative de la RIS par rapport aux stents nu (rapport n/m = 0,48 (+/- 0,26) contre 0,83 (+/- 0,42), p<0,001) dans le modèle de rat. Les analyses en TEM confirmaient la réendothélialisation des mailles dans chaque groupe et révélaient une couche de néointima plus mince dans le groupe PDA que dans le groupe BMS. Les analyses Western blot permettaient d'identifier une tendance à une activation accrue de la phosphorylation de la MAPK p38 et de ses effets antiprolifératifs sur les CML, ce qui pourrait expliquer les résultats observés lors des analyses histomorphométriques.L'immobilisation de la PEI sur les revêtements PDA permettait d'enrichir avec succès les surfaces en fonctions amines sans diminuer leur cytocompatibilité. L'hémine était ensuite greffée par création de lien amides (environ 10 ng d'hémine par cm²). Les surfaces enduites d'hémine ne montraient pas de supériorité in-vitro ou in-vivo par rapport au PDA seul.Conclusion : L'effet pro-cicatrisant attendu du revêtement PDA sur la paroi artérielle semble confirmé dans ce modèle in-vivo. Ce polymère biocompatible pourrait limiter intrinsèquement la RIS. De plus, il offre la possibilité d'immobiliser d'autres médicaments pertinents sur sa surface afin d'obtenir un effet synergique potentiel.

  • Titre traduit

    Design and evaluation of a pro-healing drug-eluting stent functionalized with polydopamine, a bioinspired and biocompatible polymer


  • Résumé

    Introduction: In-stent restenosis (ISR) is induced by an uncontrolled smooth muscular cells (SMC) proliferation after bare metal stent (BMS) implantation. It is associated with recurrence of symptoms and additional health costs. Drug-eluting stents have demonstrated efficiency on ISR but induce a high risk of late acute thrombosis due to a delayed struts reendothelialization. Polydopamine (PDA), a biocompatible polymer inspired from mussels byssus, has been reported to promote endothelial cells (EC) and inhibit SMC proliferation in-vitro, thus suggesting a potential pro-healing effect on the vascular wall. Furthermore, polydopamine expresses amine, catechol and quinone functions on its surface and can be used as an anchor for another therapeutic agent. This study aimed at 1) evaluating the impact of a PDA-coated stent on in-stent restenosis (ISR), 2) designing a vascular stent with a potential additional pro-healing drug, hemin, immobilized via the PDA layer.Methods: In the first part of this study, PDA coatings were obtained by dip coating of cobalt-chromium disks or stents in a dopamine solution. Disk samples were used to evaluate biocompatibility and hemocompatibility. The pro-healing potential was investigated in-vitro by seeding human EC and SMC on the different samples. In-vivo experimentations were conducted to assess the pro-healing effect in a rat model. ISR was evaluated in optic microscopy with quantification of the neointima/media (n/m) ratio after eosin/hematoxillin coloration. Quality of the struts reendothelialization was assessed with transmission electron microscopy (TEM). Molecular pathways involved in a potential pro-healing effect were investigated with western blot analyses.In the second part of this work, PDA-coated surfaces were modified with polyethylenimine (PEI) to enhance the expression of amine functions. This modified coating was characterized and cytocompatibility was assessed in-vitro. This modified surface was used to immobilized hemin, a therapeutic agent, on the sample surfaces. Functionalized surfaces were characterized, and presence of the therapeutic agent was assessed and quantified. The potential healing effect of the hemin-stent was evaluated in-vitro and in-vivo.Results: PDA surfaces demonstrated a pro-healing effect in-vitro compared to bare chromium-cobalt. PDA stents demonstrated a significant reduction in ISR compared to bare metal stents (ratio n/m = 0.48 (+/- 0.26) versus 0.83 (+/- 0.42), p<0.001) in the rat model. TEM analyses confirmed the presence of neointima surrounding the struts in each group and revealed a thinner neointima layer in the PDA-stent group compared to BMS, with similar ultrastructures of the cells facing the arterial lumen. Western blot analyses identified a trend to an increased activation of p38 MAPK phosphorylation and its anti-proliferative effects on vascular SMC which could explain the results observed in the histomorphometric analyses.Immobilization of PEI was achieved through Michael addition and Shift base reaction on PDA coatings, and successfully enriched the surfaces with amino groups without decreasing cytocompatibility. Hemin was successfully grafted on the PDA-PEI surfaces via amide bounds (approximately 10ng of hemin per cm²). Hemin-coated surfaces demonstrated no superiority in-vitro or in-vivo to PDA alone.Conclusion: The expected pro-healing effect of PDA-coating on the arterial wall seems to be confirmed in this in-vivo model. This biocompatible polymer could intrinsically limit in-stent restenosis. Additionally, it also offers the possibility to immobilize many relevant drugs on its surface through amine functions providing potential synergistic effects.


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