3D Bio-impression

La bioimpression tridimensionnelle (3D) est l’utilisation de l’impression 3D et de techniques similaires à l’impression 3D pour combiner des cellules, des facteurs de croissance et des biomatériaux afin de fabriquer des pièces biomédicales imitant au maximum les caractéristiques des tissus naturels. En règle générale, la bioimpression 3D utilise la méthode couche par couche pour déposer des matériaux connus sous le nom de bio-liens afin de créer des structures ressemblant à des tissus qui seront utilisées par la suite dans les domaines de la médecine et du génie tissulaire. La bioimpression couvre un large éventail de biomatériaux.

Actuellement, la bioimpression peut être utilisée pour imprimer des tissus et des organes afin de faciliter la recherche de médicaments et de pilules. Cependant, les innovations émergentes vont de la bio-impression de cellules ou de la matrice extracellulaire déposée dans un gel 3D couche par couche pour produire le tissu ou l’organe souhaité. La récente explosion de la popularité de l’impression 3D témoigne de la promesse de cette technologie et de son utilité profonde pour la recherche et la médecine régénérative. De plus, la bioimpression 3D a commencé à incorporer l’impression d’échafaudages. Ces échafaudages peuvent être utilisés pour régénérer des articulations et des ligaments.

Définition
La bio-impression 3D est le processus de création de structures cellulaires dans un espace confiné à l’aide des technologies d’impression 3D, dans lesquelles la fonction et la viabilité des cellules sont conservées dans la construction imprimée. En règle générale, la bio-impression 3D utilise la méthode d’impression couche par couche pour déposer des matériaux parfois appelés bioencres afin de créer des structures similaires aux tissus biologiques naturels qui sont ensuite utilisés dans les domaines du génie médical et des tissus 9. La bio-impression utilise large gamme de matériaux. Actuellement, la bio-impression peut être utilisée pour imprimer des tissus et des organes, en particulier pour la recherche pharmaceutique. Le premier brevet relatif à cette technologie a été déposé aux États-Unis en 2003 et délivré en 2006.

La bio-impression est à l’interface de nombreux domaines: médecine, ingénierie, informatique, génie génétique, etc. Les tissus biologiques sont constitués de tissus durs composés de matrices extracellulaires organiques et inorganiques et de tissus mous formés de cellules. La matière cellulaire vivante est imprimée à partir de cellules souches. Il est déposé en gouttelettes d’encre biologique qui formeront des couches successives et qui, en se superposant, constitueront un tissu biologique en trois dimensions. Pour produire de l’encre biologique, on peut utiliser les cellules souches du patient que l’on va développer (il faut des millions pour créer un millimètre carré de tissu). Les cellules souches sont en suspension dans un milieu spécifique qui peut être modifié à la température ambiante. Le support sur lequel le tissu est imprimé est une fine couche de collagène (la protéine la plus abondante dans le corps humain, responsable de la cohésion des tissus) que l’on pourrait comparer au papier d’un imprimeur traditionnel. Outre les cellules et les biomatériaux, la bio-imprimante doit également intégrer un spectre de substances biochimiques (chimiokines, facteurs de croissance, facteurs d’adhésion ou protéines de signalisation) afin de promouvoir un environnement de survie, de motilité et de différenciation cellulaire.

Plusieurs étapes peuvent être distinguées lors de l’impression d’un tissu par bio-impression 3D. Ces trois étapes technologiques séquentielles sont le prétraitement, le traitement (impression) et le post-traitement:
La conception est plus ou moins identique aux tissus d’origine, puis à la conception informatique du modèle qui définira comment les cellules souches seront imprimées couche par couche en fonction des caractéristiques exprimées à la première étape. Cette étape est couplée à la troisième étape qui consiste à programmer l’imprimante via un logiciel spécialisé qui traduira les actions à effectuer dans le langage de l’imprimante. Ces deux étapes sont similaires à celles à suivre pour concevoir un objet à partir d’une imprimante 3D en plastique.
L’impression automatisée du tissu par l’imprimante qui diffère selon la technologie utilisée.

La densité et la résolution sont deux paramètres clés de la bio-impression. La densité des cellules est celle de l’encre biologique. S’il est trop bas, la phase finale ne sera pas bien faite et le tissu ne sera pas viable. La résolution est la précision avec laquelle les cellules seront placées par l’imprimante. Si la précision n’est pas optimale, la structure prédéfinie des cellules ne sera pas respectée et le tissu n’aura pas la forme appropriée, ce qui empêchera en même temps le bon déroulement de la phase finale de développement des cellules.

La dernière étape est la maturation des tissus imprimés. C’est la phase au cours de laquelle les cellules assemblées évolueront et interagiront pour former un tissu cohérent et viable. Au cours du processus de post-impression dans un bioréacteur, les tissus subissent une maturation rapide, notamment le développement d’une vascularisation à plusieurs niveaux et d’une innervation augmentant la résistance et l’intégrité mécanique des tissus destinés à la transplantation. Placés dans une incubation, les tissus se développent pour former un tissu cohérent. Cette phase débute environ 48 heures après l’impression et peut durer plusieurs semaines en fonction de la taille du tissu. Avec la phase de maturation, on peut parler d’impression 4D car la dimension temporelle après impression est essentielle.

Les bioréacteurs agissent en fournissant un environnement propice au développement tissulaire en fournissant des nutriments convectifs, en créant un environnement de microgravité et en favorisant la circulation de la solution dans les cellules. Il existe différents types de bioréacteurs adaptés à différents types de tissus. Par exemple, les bioréacteurs à compression sont idéaux pour les tissus cartilagineux.

Les technologies
L’impression 3D pour la fabrication d’organes artificiels est devenue un sujet d’étude majeur en génie biologique. À mesure que les techniques de fabrication de l’impression 3D deviennent de plus en plus efficaces, leur applicabilité à la synthèse d’organes artificielle est devenue plus apparente. Les principaux avantages de l’impression 3D sont sa capacité de production de masse de structures complexes personnalisables ainsi que le degré élevé de précision anatomique obtenu. La bio-impression 3D offre une polyvalence sans précédent dans le positionnement des cellules et des biomatériaux avec un contrôle précis de leur composition, leur distribution spatiale et leur précision architecturale, permettant une reconstruction détaillée ou même personnalisée de la forme finale, de la structure, de la microstructure et de l’architecture des tissus et des organes imprimés.

Par rapport à l’impression 3D non biologique, la bio-impression 3D induit des niveaux de complexité supplémentaires, tels que le choix des matériaux, le type de cellule, les facteurs de croissance et de différenciation, ainsi que les défis techniques liés aux sensibilités cellulaires. vie et construction en tissu.

Les organes d’impression utilisant l’impression 3D peuvent être réalisés à l’aide de diverses techniques, chacune apportant des avantages spécifiques pouvant être adaptés à des types spécifiques de production d’organes.

L’approche traditionnelle de l’ingénierie tissulaire consistait à ensemencer des cellules sur un échafaudage matriciel, c’est-à-dire une structure de support solide comprenant un réseau de pores interconnectés. Cette structure doit maintenir la forme et les propriétés mécaniques du tissu synthétisé et faciliter la fixation des cellules en fournissant un substrat pour la prolifération cellulaire. La technologie d’impression 3D est une innovation récente qui permet l’ensemencement simultané de cellules vivantes et la création de la structure de biomatériau en couches.

Les trois technologies de bio-impression 3D les plus populaires sont la technologie d’impression laser, la technologie de micro-extrusion et la technologie à jet d’encre. En plus de ces technologies, une équipe de chercheurs de Cambridge développe une imprimante acoustique où les ondes font vibrer le bioencre, ce qui provoquera l’éjection de gouttelettes avec la précision de la taille d’une cellule. Aujourd’hui, sur Internet, vous pouvez trouver des explications sur la fabrication de votre propre bio-imprimante à partir d’une imprimante de bureau de type HP telle que présentée sur le site TeVido BioDevices.

Chaque technologie présente des avantages et des inconvénients pour l’impression d’ingénierie de tissus biologiques et d’organes. Les tissus durs du corps humain comprennent les os, les dents et le cartilage. Ils sont constitués de certains types de cellules individuelles et d’une proportion importante de matrices extracellulaires organiques et inorganiques.

Impression laser
Cette dernière technologie a nécessité 10 ans de recherche à l’INSERM de Bordeaux. Cette technique fonctionne sur le principe du laser. Un laser est dirigé à l’aide d’un miroir, passe à travers une lentille, puis se concentre, frappe une lamelle sur laquelle est placé un film d’encre biologique. Au cours de l’interaction laser / cartouche, déposez des micro-gouttes contenant des cellules en petit nombre sur le support avec une précision de 5 microns. L’impression est assez rapide. Des expériences ont même montré que cela fonctionne sur les souris, grâce à une impression in vivo (directement sur la peau d’un être vivant). Les motifs de la cellule sont obtenus par balayage laser à 10 000 impulsions par seconde, chaque impulsion générant une micro gouttelette. Cette technologie est la seule avec une résolution d’unité (cellule par cellule) allant jusqu’à 50 cellules par micro-goutte. Cette précision permet de reproduire des tissus biologiques complexes en 3 dimensions, tels que des échantillons de peau.

L’impression laser allie résolution et densité (environ 108 cellules / ml d’encre biologique) à de multiples avantages. Trois des avantages de la bio-impression au laser sont une viabilité cellulaire supérieure à 95%, une réduction des déchets et l’absence de stress mécanique. Cela est dû à la brièveté des impulsions, quelques nanosecondes, qui minimise le réchauffement cellulaire et réduit leur “stress”. Cependant, la viabilité des tissus imprimés dépend des contraintes exercées sur les cellules. Il est important que les cellules soient le moins “dégradées” possible.

Cependant, certains facteurs doivent encore être améliorés, car la machine n’empile pas encore beaucoup de cellules de manière bien organisée, le temps de préparation est élevé et le coût d’impression également.

Jet d’encre
Cette technologie est notamment utilisée dans les imprimantes DIY de Tedivo Biodevices. C’est cette technologie qui fonctionne à l’université de Manchester en Angleterre. L’imprimante à jet d’encre fonctionne avec une tête d’impression qui projette des micro-gouttelettes d’un liquide contenant des cellules (l’encre bio). L’éjection des gouttelettes est provoquée par un processus thermique (chaleur) ou piézoélectrique (polarisation électrique de l’encre sous l’action d’une contrainte mécanique). L’encre est liquide à 20 ° mais se gélifie à une température de 36 °. Ce processus est celui qui ressemble le plus à celui des imprimantes plastiques 3D.

Cette technologie est la plus abordable et la plus facile à utiliser avec un temps de préparation minimal et un coût réduit. Le temps d’impression est faible et la viabilité des cellules est supérieure à 85%, mais la résolution est médiocre, ce qui entraîne un développement médiocre des cellules. De plus, la densité est également un paramètre difficile à gérer, elle est souvent trop basse ou très basse (environ 106 cellules / ml, soit 100 fois moins que pour l’imprimante laser). Ces inconvénients rendent pour le moment impropre à l’impression de tissus complexes, elle ne sert qu’à imprimer des motifs grâce aux cellules à imprimer.

Micro-extrusion
La microextrusion (également appelée bioextrusion) est la seule méthode qui a commencé à être industrialisée par la société américaine Organovo avec son imprimante Novogen MMX, développée en collaboration avec l’Université du Missouri et mise au point en 2005.

Cette imprimante fonctionne avec deux têtes d’impression. L’un dépose le gel et l’autre les cellules. Les cellules sont poussées dans une micro-seringue et déposées à l’aide d’une aiguille. Les couches sont déposées en alternance, une couche d’hydrogel (mélange d’eau) suivie d’une couche de cellules. L’hydrogel est utilisé pour structurer l’assemblage de couches de cellules, de la même manière qu’un échafaudage. Les hydrogelis se sont alors dissous pendant la phase de maturation, permettant aux cellules de se fusionner. La bioextrusion permet d’obtenir une densité élevée mais avec une résolution moyenne (allant de 5 micromètres à quelques millimètres de large). Le temps de préparation est moyen comparé à d’autres techniques mais avec un temps d’impression plus long (très lent). Le coût de ce type d’imprimante est moyen et la viabilité (capacité de “survie” après l’impression et pendant la phase de maturation) des cellules est comprise entre 40 et 80%, ce taux est faible par rapport aux autres technologies et cet aspect reste à déterminer. amélioré.

Techniques hybrides
Ces technologies ont aujourd’hui des possibilités limitées, mais certains chercheurs s’intéressent aux “imprimantes hybrides”. Cette technique en est encore au stade des tests, mais aux États-Unis, des chercheurs ont réussi à combiner l’impression de cellules et le dépôt de polymère biodégradable (substance composée de molécules caractérisée par la répétition d’un ou de plusieurs atomes ou groupes d’atomes, qui peuvent être naturels, synthétiques ou artificiels). ou artificiel) formant le cartilage.

Bioprinters
Il existe différents bioprinteurs sur le marché. Les prix varient de 10 000 $ pour BioBot 1 à 200 000 $ pour le bioploteur 3D d’EnvisionTec. La bio-imprimante Aether 1 devrait être commercialisée à partir de 2017 au prix de 9 000 USD. En pratique, les chercheurs développent souvent leurs propres bio-imprimantes expérimentales.

Processus
La bioimpression 3D suit généralement trois étapes: pré-bioimpression, bio-impression et post-bio-impression.

Pré-bio-impression
La pré-bio-impression consiste à créer un modèle que l’imprimante créera ultérieurement et à choisir les matériaux à utiliser. L’une des premières étapes consiste à obtenir une biopsie de l’organe. Les technologies couramment utilisées pour la bioimpression sont la tomodensitométrie (TDM) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Pour imprimer avec une approche couche par couche, une reconstruction tomographique est effectuée sur les images. Les images maintenant 2D sont ensuite envoyées à l’imprimante. Une fois l’image créée, certaines cellules sont isolées et multipliées. Ces cellules sont ensuite mélangées avec un matériau liquéfié spécial qui fournit de l’oxygène et d’autres nutriments pour les maintenir en vie. Dans certains processus, les cellules sont encapsulées dans des sphéroïdes cellulaires de 500 µm de diamètre. Cette agrégation de cellules ne nécessite pas d’échafaudage et est nécessaire pour la placer dans la fusion tissulaire de type tubulaire pour des processus tels que l’extrusion.

Bioprinting
Au cours de la seconde étape, le mélange liquide de cellules, de matrice et de nutriments, appelé bioink, est placé dans une cartouche d’imprimante et déposé à l’aide des scanners médicaux des patients. Lorsqu’un pré-tissu bio-imprimé est transféré dans un incubateur, ce pré-tissu à base de cellules mûrit dans un tissu.

La bioimpression 3D pour la fabrication de constructions biologiques implique généralement la distribution de cellules sur un échafaudage biocompatible en utilisant une approche couche par couche successive pour générer des structures tridimensionnelles de type tissu. Il a été démontré que les organes artificiels tels que les foies et les reins fabriqués par impression biologique 3D manquaient d’éléments cruciaux qui affectent le corps, tels que des vaisseaux sanguins en fonctionnement, des tubules pour la collecte de l’urine et la croissance de milliards de cellules nécessaires à ces organes. Sans ces composants, le corps n’a aucun moyen d’obtenir les nutriments essentiels et l’oxygène au plus profond de leur intérieur. Étant donné que chaque tissu dans le corps est naturellement composé de différents types de cellules, de nombreuses technologies d’impression de ces cellules varient dans leur capacité à assurer la stabilité et la viabilité des cellules pendant le processus de fabrication. Certaines des méthodes utilisées pour la bioimpression 3D de cellules sont la photolithographie, la bioimpression magnétique, la stéréolithographie et l’extrusion directe de cellules.

Post-bio-impression
Le processus de post-bioimpression est nécessaire pour créer une structure stable à partir du matériel biologique. Si ce processus n’est pas bien entretenu, l’intégrité mécanique et la fonction de l’objet imprimé en 3D sont en danger. Pour maintenir l’objet, des stimulations mécaniques et chimiques sont nécessaires. Ces stimulations envoient des signaux aux cellules pour contrôler le remodelage et la croissance des tissus. En outre, dans le développement récent, les technologies de bioréacteurs ont permis la maturation rapide des tissus, la vascularisation des tissus et la capacité de survivre aux greffes.

Les bioréacteurs assurent le transport convectif des nutriments, créent des environnements de microgravité, modifient la pression entraînant le passage de la solution à travers les cellules, ou ajoutent une compression pour un chargement dynamique ou statique. Chaque type de bioréacteur est idéal pour différents types de tissus, par exemple les bioréacteurs à compression sont idéaux pour les tissus cartilagineux.

Approche de bioprinting
Les chercheurs sur le terrain ont développé des approches pour produire des organes vivants construits avec les propriétés biologiques et mécaniques appropriées. La bioimpression 3D repose sur trois approches principales: la biomimétrie, l’auto-assemblage autonome et les blocs de construction de mini-tissus.

Biomimétrie
La première approche de la bioimpression s’appelle le biomimétisme. L’objectif principal de cette approche est de créer des structures fabriquées identiques à la structure naturelle trouvée dans les tissus et les organes du corps humain. La biomimétrie nécessite la duplication de la forme, de la structure et du microenvironnement des organes et des tissus. L’application du biomimétisme à la bioimpression implique la création de parties d’organes cellulaires et extracellulaires identiques. Pour que cette approche réussisse, les tissus doivent être répliqués à une micro-échelle. Par conséquent, il est nécessaire de comprendre le microenvironnement, la nature des forces biologiques dans ce microenvironnement, l’organisation précise des types de cellules fonctionnelles et de support, les facteurs de solubilité et la composition de la matrice extracellulaire.

Auto-assemblage autonome
La deuxième approche de la bio-impression est l’auto-assemblage autonome. Cette approche repose sur le processus physique du développement d’organes embryonnaires en tant que modèle pour reproduire les tissus d’intérêt. Lorsque les cellules en sont à leurs débuts, elles créent leur propre bloc de construction de matrice extracellulaire, la signalisation cellulaire appropriée et un agencement et une structure indépendants pour fournir les fonctions biologiques et la micro-architecture requises. L’auto-assemblage autonome exige des informations spécifiques sur les techniques de développement des tissus et des organes de l’embryon. Il existe un modèle “sans échafaudage” qui utilise des sphéroïdes à auto-assemblage qui soumettent à une fusion et à un arrangement cellulaire ressemblant à des tissus en évolution. L’auto-assemblage autonome dépend de la cellule en tant que moteur fondamental de l’histogenèse, guidant les blocs de construction, les propriétés structurelles et fonctionnelles de ces tissus. Cela demande une compréhension plus profonde de la façon dont les mécanismes des tissus embryonnaires se développent ainsi que du microenvironnement entouré pour créer les tissus bio-imprimés.

Mini-tissu
La troisième approche de la bioimpression est une combinaison des approches du biomimétisme et de l’auto-assemblage, appelées mini-tissus. Les organes et les tissus sont construits à partir de très petits composants fonctionnels. L’approche par mini-tissu prend ces petits morceaux et les fabrique et les range dans un cadre plus grand.

Des imprimantes
Semblables aux imprimantes à encre ordinaires, les bioprinteurs ont trois composants principaux. Ce sont le matériel utilisé, le type d’encre bio et le matériau sur lequel il est imprimé (biomatériaux). “La bio-encre est un matériau fabriqué à partir de cellules vivantes qui se comporte beaucoup comme un liquide, ce qui permet aux gens de” l’imprimer “afin de créer la forme souhaitée. Pour créer de la bio-encre, les scientifiques créent un coulis de cellules pouvant être chargé une cartouche et insérée dans une imprimante spécialement conçue, avec une autre cartouche contenant un gel appelé papier bio. ”

En bioprinting, trois principaux types d’imprimantes ont été utilisés. Ce sont des imprimantes à jet d’encre, assistées par laser et à extrusion. Les imprimantes à jet d’encre sont principalement utilisées dans la bio-impression pour les produits rapides et à grande échelle. Un type d’imprimante à jet d’encre, appelé imprimante à jet d’encre à la demande, imprime les matériaux en quantités exactes, minimisant ainsi les coûts et le gaspillage. Les imprimantes utilisant des lasers fournissent une impression haute résolution; Cependant, ces imprimantes sont souvent chères. Les imprimantes par extrusion impriment des cellules, couche par couche, comme pour l’impression 3D afin de créer des constructions 3D. En plus des cellules, les imprimantes par extrusion peuvent également utiliser des hydrogels infusés avec des cellules.

Application
Le domaine de la médecine régénérative a accompli des progrès considérables au cours des dernières décennies en ce qui concerne sa capacité à produire des substituts fonctionnels aux tissus biologiques. Bien que depuis plus de dix ans, les cellules vivantes et les biomatériaux (généralement des hydrogels) soient imprimés par bio-impression 29, les approches classiques basées sur les matrices extracellulaires et la microtechnique restent limitées dans leur capacité à produire des tissus aux propriétés biomimétiques précises.

En 2013, Organovo a produit un foie humain au moyen de techniques de bio-impression. Cependant, le corps ne convenait pas à la transplantation et était principalement utilisé comme moyen de dépistage des médicaments 30.

Utilisation de la bio-impression en 2017
La bioimpression permet déjà de créer des structures vivantes. La matière vivante cellulaire est imprimée dans de nombreux laboratoires à travers le monde, les tissus cellulaires sont viables et la bio-impression n’affecte pas la différenciation cellulaire. Certaines des technologies ont été appliquées avec succès dans des traitements médicaux. La bio-impression 3D a déjà été utilisée pour la production et la transplantation de plusieurs tissus, notamment des multicouches de peau, os, greffes vasculaires, prothèses de la trachée, tissus cardiaques et structures cartilagineuses.

L’impression d’organes complexes fait l’objet d’intenses recherches dans le monde entier. Par exemple pour le coeur, le pancréas, le foie ou les reins. Début 2017, ces recherches n’avaient pas encore abouti à une transplantation.

En mai 2017, les chercheurs ont utilisé la bioimpression pour produire des ovaires de souris. Les souris stériles implantées avec l’ovaire artificiel ont pu ovuler, mettre au monde et nourrir des bébés souris en bonne santé. L’étude est la première à obtenir un tel résultat à l’aide de l’impression 3D.

Les avances actuelles pour la peau.
Les chercheurs ont réussi à imprimer différentes structures et types de cellules: multicouches de kératinocytes (cellules de la couche superficielle de la peau et des excroissances corporelles superficielles: ongles, cheveux, poils) et du collagène.

En 2010, le laboratoire bordelais a réussi à imprimer des cellules osseuses (pour renouveler et consolider le tissu osseux) directement sur le crâne d’une souris vivante présentant un petit trou. Dans le cas d’une impression directe sur le patient, on parle d’impression in vivo. Les chercheurs ont utilisé le même principe pour imprimer une partie osseuse et une partie de la peau en retirant les cellules mésenchymateuses imprimées ultérieurement. Les cellules mésenchymateuses peuvent produire plusieurs types de cellules appartenant aux tissus squelettiques, telles que le cartilage, les os et la graisse. On les trouve dans le mésenchyme de l’embryon et en très petite quantité chez l’adulte. Le docteur Fabien Guillemot a commenté les premiers tests sur souris: “Les résultats obtenus sont très concluants. Les cellules imprimées ont conservé toutes leurs fonctions et se sont multipliées jusqu’à deux mois après l’impression. Les premiers sujets ont montré des signes de guérison. Même résultat pour le Hannover Laser Center de Allemagne: le tissu répare la plaie de l’animal sans aucun rejet.

La société américaine Organovo commercialise des échantillons de peau imprimés pour la recherche médicale. Les laboratoires pharmaceutiques utilisent ces tissus organiques fonctionnels pour tester les effets des traitements et leur impact sur les maladies. La société imprime également des modèles de tissus malades afin de mieux comprendre les maladies et leur évolution. L’objectif est également de tester l’efficacité des molécules de médicaments et de réduire le coût des essais cliniques. Les grands groupes cosmétiques utilisent également des échantillons pour évaluer la toxicité des soins avant leur commercialisation et pour trouver une alternative aux tests sur les animaux interdite en Europe depuis 2013.

Avancées actuelles pour les organes vitaux
De nouvelles techniques ont été développées pour résoudre le problème de la vascularisation des tissus imprimés. Une technique consiste à imprimer, par exemple, des tissus mous contenant du collagène et d’autres fibres biologiques dans un porte-hydrogel. Le tissu imprimé est ensuite récupéré en faisant fondre le support sans endommager les cellules et la structure. Suivant ce principe, des modèles de fémur, d’artères coronaires, de vaisseaux sanguins et d’un cœur d’embryon ont déjà été imprimés avec succès. Ces tissus cellulaires sont nécessaires à l’oxygénation des organes mais n’ont pas encore été testés sur l’homme et ne permettent pas une vascularisation complète d’organes tels que le foie, les poumons ou le cœur.

Grâce aux progrès réalisés dans le domaine vasculaire, il est maintenant possible de créer des organes miniatures. Organovo, par exemple, a expérimenté l’impression de divers types de tissus complexes tels que des morceaux de muscle pulmonaire et cardiaque. Elle a réussi à fabriquer un morceau de rein (1 mm d’épaisseur sur 4 mm de large) qui a survécu cinq jours en dehors du laboratoire. Ils ont également créé un foie humain reconstitué qui est resté fonctionnel pendant 40 jours. Cet échantillon de foie (3 mm2 sur 0,5 mm d’épaisseur) était capable de produire des enzymes, des protéines et du cholestérol. Il se multiplie par la vie de l’organe lors des échanges éventuels. De même, des chercheurs chinois développent des reins dont la durée de vie est actuellement limitée à 4 mois.

“Nous devons poursuivre les recherches et rassembler plus d’informations, mais le fait que le tissu se comporte comme un foie suggère qu’il continuera à se comporter comme tel quand il commencera à être testé avec des médicaments”, explique Keith Murphy, PDG d’Organovo. La société Organovo a récemment commercialisé des tissus hépatiques fonctionnels pendant au moins 42 jours.Ces échantillons d’organes sont destinés à la recherche médicale, mais à ce jour, aucune de ces parties n’a encore été intégrée à des organismes vivants.

En octobre 2016, des chercheurs de Harvard ont bio-imprimé le premier cœur sur puce au monde avec capteurs intégrés. Le dispositif, qui est un système micro-physiologique, imite le comportement des tissus humains. Il s’agit de l’organe sur puce le plus sophistiqué, y compris en comparaison avec les poumons, les langues et les intestins sur puce également produits par cette équipe. Le développement de cette application d’organe sur puce bio-imprimée pourrait réduire la dépendance de la recherche médicale à l’expérimentation animale.

Autres corps
Des chercheurs de l’Université de Cambridge, en Angleterre, ont annoncé leur capacité à recréer des cellules nerveuses dans la rétine d’un rat par le biais d’une bio-imprimante. L’imprimante est capable d’associer des cartouches de cellules ganglionnaires et des cartouches de cellules gliales à partir de cellules souches de rat. Cette greffe a permis à un animal de récupérer une grande partie de son acuité visuelle tout en éliminant le risque de rejet. Et en avril 2013, des scientifiques de l’Université de Princeton ont eu l’impression d’une oreille bionique: elle associe des cellules organiques et des nanoparticules à une antenne moulée dans du cartilage. L’oreille ainsi produite peut entendre des fréquences radio inaudibles avec une oreille humaine naturelle.

Des scientifiques de l’Université Columbia travaillent à la création de dents et d’articulations bio-imprimées. Cette équipe, par exemple, a implanté une incisive créée à partir d’une structure 3D imprimée dans la mâchoire d’un rat. En deux mois, l’implant a permis la croissance de ligaments qui soutiennent les dents et les os nouvellement formés. L’équipe de recherche a également implanté des os de hanche bio-imprimés sur des lapins, qui ont commencé à marcher avec leurs nouvelles articulations après quelques semaines.

Défis
Bien que des progrès aient été réalisés dans la production d’organes imprimables, la mise en œuvre clinique, notamment en ce qui concerne les organes complexes, nécessite des travaux de recherche et développement plus poussés. La prolifération cellulaire nécessaire à l’impression biologique se déroule dans un environnement artificiel et contrôlé, dépourvu de marqueurs et de processus biologiques naturels. L’absence de ces propriétés inhibe souvent le développement d’une morphologie et d’une différenciation cellulaire appropriées. Lorsqu’elles sont présentes, ces conditions permettraient à l’organe imprimé de reproduire plus précisément les conditions in vivo.et d’adopter une structure et un fonctionnement adéquat contrairement à une croissance biologique conçue comme un simple échafaudage formé de cellules 34. Certains des défis techniques à relever résolus comprennent:

La vascularisation: S’il est possible de créer des tissus cellulaires basiques comme la peau 35, par exemple, il est impossible de créer des organes complexes. En effet, les scientifiques ne peuvent pas recréer de vaisseaux sanguins tels que des capillaires car ils sont longs, minces et tubulaires et que la précision des imprimantes est trop faible. L’impression de n’importe quel organe est donc impossible car les cellules ne seraient pas alimentées en oxygène et en glucose et mourraient très rapidement. De plus, les tissus cutanés des cellules imprimées jusqu’à présent ne sont pas vascularisés et ne peuvent donc pas être greffés. Les tissus cellulaires doivent être vascularisés dès que leur épaisseur dépasse 400 microns.
Le système nerveux: Le système nerveux présente une grande complexité. Sans les nerfs, les muscles créés ne peuvent pas être opérés et ne peuvent pas être greffés.
Les cellules pluripotentes: la bio-impression nécessite une grande quantité de cellules pluripotentes.
Le temps de survie des cellules imprimées: pour l’instant, les tissus imprimés ne vivent pas très longtemps car ils ne se trouvent pas dans leur environnement naturel. Par exemple, la société Organovo a réussi à imprimer un rein miniature de 4 mm sur 1 mm, mais celui-ci n’a survécu que 5 jours.
Le prix: le coût des imprimantes biologiques fonctionnelles haut de gamme reste très élevé et peut donc être difficilement acquis par de petits laboratoires de recherche ou des hôpitaux. En effet, une imprimante biologique coûte plusieurs centaines de milliers d’euros.
L’organisation complexe des organes: par exemple, un rein est constitué d’un million de néphrons qui assurent la filtration du sang et la production d’urine. Chaque néphron est constitué de plusieurs sous-unités telles que les glomérules eux-mêmes constitués de quatre types de cellules … Cette organisation est très complexe à imprimer couche par couche.
La gravité: Même avec la technique biologique d’impression la plus avancée, les scientifiques sont obligés d’imprimer des tissus couche par couche en raison de la gravité, ce qui complique grandement la formation de gros corps qui s’effondreraient sous leur propre poids et déformeraient les structures moléculaires.
Connaissances scientifiques: Il s’agit probablement du principal obstacle au développement et à l’impression d’organes complexes. Le manque de connaissances globales sur le corps humain se fait sentir dans plusieurs domaines tels que le système nerveux ou la morphogenèse du corps.

DEVELOPPEMENTS récents

Vascularisation
En avril 2017, une équipe de recherche de l’Université de Californie a réussi à produire un tissu vascularisé avec des microarchitectures complexes en trois dimensions en utilisant la méthode dite de “bioimpression optique microscopique en continu” (μCOB). L’implantation in vivo des tissus imprimés a démontré la survie et la formation progressive du réseau endothélial dans le tissu prévascularisé.

Gravité
Les scientifiques sont obligés d’imprimer des organes et des tissus dans des couches successives de cellules en raison de la gravité. Selon eux, si on imprime les organes en pseudo-état d’apesanteur, par exemple au moyen d’un champ magnétique, les cellules pourraient être placées correctement et sans déformation.

Le professeur Vladimir Mironov et son équipe de chercheurs ont conclu des accords pour que des tests soient effectués à bord de la Station spatiale internationale.

Pour contrer ce phénomène de gravité, l’équipe du professeur Adam Feinbergon a eu l’idée de déposer les cellules dans un cube d’hydrogel (cube gélatineux à base d’eau). Les cellules ainsi déposées restent en suspension dans l’hydrogel, ce qui leur laisse le temps de créer suffisamment de liaisons cellulaires pour que l’organe créé ne se déforme pas. Le gel fond dans l’eau à la température du corps (37 ° C). Une fois les connexions établies, il suffit de plonger le cube d’hydrogel dans de l’eau à 37 ° C pour récupérer l’organe formé intact.

Organisation complexe
Dirigée par Fabien Guillemot, l’équipe de chercheurs de l’INSERM Bordeaux a pour objectif de recréer un rein fonctionnel. Pour cela, ils ont décidé de ne pas l’imprimer couche par couche, mais pièce par pièce [précision requise].Impossible de créer des glomérules qui sont ensuite assemblés pour faire des néphrons, eux-mêmes assemblés pour former un ancien rein fonctionnel.

Cellules pluripotentes
En 2012, la chercheuse japonaise Shinya Yamanaka a réussi à créer des cellules souches pluripotentes fonctionnelles à partir de cellules différenciées. En anglais, en English, 7-to-auditions, the Japanese chercheur, découvrant les gènes qui codent pour la différenciation, les cellules pluripotentes et la constitution de la cellule différenciée, ce dernier devient pluripotent. Cette découverte lui vaut le prix Nobel de médecine. En conséquence, il est possible de créer une culture de cellules souches pluripotentes spécifiques à un individu sans même un échantillon de moelle osseuse.