La bio-impression est une application biomédicale des processus de fabrication additive pour produire des tissus biologiques artificiels. La bio-impression peut être définie comme la structuration spatiale des cellules vivantes et d’autres produits biologiques en les empilant et en les assemblant à l’aide d’une méthode de déposition assistée par ordinateur couche par couche afin de développer des tissus et des organes vivants pour l’ingénierie tissulaire, la médecine régénérative, la pharmacocinétique et plus encore. généralement la recherche en biologie. Il s’agit d’une innovation récente qui positionne simultanément des cellules vivantes et des biomatériaux couche par couche afin de fabriquer des tissus vivants. La transplantation est la principale utilisation des organes imprimés. Des recherches sont en cours sur les structures artificielles du cœur, des reins, du foie et d’autres organes vitaux. Pour des organes plus complexes tels que le cœur, des constructions plus petites telles que des valves cardiaques ont également été étudiées. Certains organes imprimés ont déjà atteint la mise en œuvre clinique mais concernent principalement des structures creuses telles que la vessie ainsi que des structures vasculaires.
Histoire
En 1938, Alexis Carrell, prix Nobel de médecine, et Charles Lindbergh, pionnier de l’aviation et inventeur passionné, proposèrent de faire pousser des organes. Et nous devons attendre l’apparition de la médecine régénérative qui cherche à remplacer les cellules endommagées du corps humain par des organes sains pour voir apparaître les premières greffes. Néanmoins, le risque de rejet par le patient est important et nécessite des précautions de la part du corps médical.
C’est au 21ème siècle que la technologie de la bio-impression. Il permet la fabrication sur mesure de tissus ou d’organes avec les cellules du patient, minimisant ainsi le risque de rejet. Il consiste en un assemblage de constituants de tissus biologiques (cellules) prédéfinis par conception numérique. Le but est de chercher à reproduire l’organisation tridimensionnelle des cellules comme le fait naturellement le corps humain. Cette technologie utilise le principe de la couche par couche de l’impression 3D. La bio-impression est définie comme une technologie perturbatrice car elle résulte du regroupement de connaissances en physique, en biologie, en mécanique et en informatique. Les applications sont aujourd’hui limitées en raison de la découverte récente de cette technologie, mais à long terme, les applications attendues sont nombreuses et innovantes.
L’impression d’organes 3D a été utilisée pour la première fois en 2003 par Thomas Boland de l’Université Clemson, qui a breveté l’utilisation de l’impression par jet d’encre pour les cellules. La méthode utilisait un système modifié pour le dépôt de cellules dans des matrices tridimensionnelles placées sur un substrat.
Depuis les premières expériences de Boland, l’impression 3D de structures biologiques, également appelée bioprinting, s’est développée. De nouvelles techniques d’impression ont été développées, par exemple l’impression par extrusion.
L’impression d’organes a rapidement été considérée comme une solution potentielle à la pénurie mondiale d’organes destinés à la transplantation. Les organes imprimés ont déjà été transplantés avec succès. En particulier, des tissus tels que la peau, des tissus vasculaires, tels que des vaisseaux sanguins, ou des organes creux, tels que la vessie. Les organes artificiels sont le plus souvent fabriqués à partir des propres cellules du receveur, ce qui élimine les problèmes liés aux risques de rejet.
L’impression d’organes plus 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.
La fonctionnalité
Une bioprinter fonctionne de manière similaire à une imprimante 3D basée sur le processus FDM. Une extrudeuse construit des moules à partir du tissu, dans ce cas pas de thermoplastique tel que l’ABS, mais un gel polymère, par exemple. B. à base d’alginate, à cellules vivantes encapsulées. Organovos Bioprinter laisse tomber les gouttelettes en utilisant une autre technologie prometteuse, chacune contenant environ 10 000 à 30 000 cellules individuelles. Celles-ci seront ensuite stimulées par des facteurs de croissance appropriés, même dans les structures des tissus fonctionnels.
Les bioprinteurs ont des composants spéciaux, tels que la régulation de la température, qui est très important pour une impression correcte.
Usage médical
À des fins médicales, les bioprinteurs (dans le domaine expérimental) sont connus depuis 2000. Même aujourd’hui, il n’est pas encore possible d’imprimer expérimentalement des organes composés de plusieurs types de tissus. La recherche a tendance à être plus axée sur la construction d’agrégations de cellules relativement grossières au cours du processus d’impression, qui « mûrissent » ensuite en organes par auto-assemblage biologique. Un problème majeur est, par exemple, la génération d’un système de vaisseaux sanguins fonctionnel.
Cependant, il semble tout à fait concevable que des bioprinterseurs ou des organes créés avec eux puissent un jour remplacer les organes de donneurs. Un avantage des bioprinter organes est le réglage précis du corps prévu. Pour les organes de donneurs, il est nécessaire d’attendre la disponibilité d’un organe qui lui convient le mieux. Il est toutefois peu probable qu’un organe donneur soit disponible. Le « temps de pression » d’un organe artificiel pouvant durer plusieurs heures peut constituer une barrière en cas d’accident aigu. Les greffes imprimées avec une imprimante 3D classique et fabriquées en métal ou en plastique ne sont pas considérées comme une impression biologique car aucune cellule n’est utilisée. Des fragments d’os ou des prothèses dentaires en phosphate de calcium sont déjà produits lors du processus d’impression 3D. Cependant, il est d’usage d’utiliser du matériel provenant de bovins de race spéciale pour les os.
La biologie de synthèse
En biologie synthétique, les bioprinteurs pourraient être utilisés pour imprimer de nouvelles formes de vie. Un résultat sensationnel en biologie synthétique était un « médusoïde », une « méduse » artificielle composée de cellules musculaires de rat et de silicone capables de nager. Cependant, cela n’a pas été uniquement généré par une Bioprinter.
Industrie alimentaire
En outre, pour produire des aliments tels que la viande, les bioprinteurs pourraient être utilisés à grande échelle. Selon la société, Modern Meadow a déjà imprimé une viande savoureuse, produite avec moins d’effort que le bétail et l’abattage. L’entreprise veut mettre fin à l’abattage. Actuellement, aucune viande « imprimée » n’est disponible dans le commerce, bien que cela soit déjà possible en termes de goût et de santé. Le professeur Stampfl de l’Institut des sciences des matériaux et de la technologie de l’Université de technologie de Vienne a estimé le coût d’un morceau de viande imprimé à au moins 50 000 euros en 2013.
La satire d’une telle industrie alimentaire était déjà présentée dans le film « Brust oder Keule » en 1976, dans lequel Louis de Funès joue le rôle principal et envahit secrètement une usine dans laquelle, par exemple, du poulet est produit artificiellement.
Perspective
En 2017, les réalisations de l’imprimante biologique restent limitées, les scientifiques cherchent à améliorer et à développer les technologies existantes. L’hypothèse d’une technologie de bio-impression fonctionnelle offrirait de nombreuses perspectives d’applications.
Transplantation
L’objectif principal reste la greffe chirurgicale. L’impression d’organes à partir des cellules du receveur aide également à éviter le risque de rejet. Cela permettrait de sauver des milliers de vies, de réduire le coût des soins médicaux et de répondre à la demande croissante d’organes. Il convient de noter que le nombre de demandeurs d’organes a presque doublé entre 2006 (12 531 demandeurs) et 2014 (20 311). Mais cela prend du temps et de l’expérience pour y arriver car il faut créer une vascularisation complexe pour oxygéner et nourrir l’organe. Et actuellement, il est difficile de reconstituer des vaisseaux sanguins complexes. En outre, les organes créés ne sont viables que pour un temps limité et sont pour le moment de très petite taille. Ils sont alors inutilisables chez l’homme. Pour créer et répondre à la pénurie d’organes, il faudra attendre encore quelques années.
L’objectif de l’empreinte cutanée est notamment de pouvoir traiter les grands brûlés en créant des tissus adaptés à la plaie du patient 38. Actuellement, les greffes sont réalisées en retirant du tissu non endommagé du corps du patient (autogreffe) ou en utilisant des dons de peau. Cette opération est souvent douloureuse ou sanctionnée par le rejet du système immunitaire. Selon Marc Jeschke: « 90% des brûlures surviennent dans les pays à revenus faibles et moyens, avec une mortalité et une morbidité plus importantes, des systèmes de soins de santé mal équipés et un accès insuffisant aux installations de traitement des brûlures. La régénération de la peau à l’aide des cellules souches du patient peut considérablement réduire le risque de décès dans les pays en développement. « . Il est à noter que le nombre de transplantations effectuées en France est en augmentation: 4 428 en 2006 et 5 357 en 2014, mais ces chiffres sont encore très faibles par rapport aux demandes car seulement un quart en 2006 et un peu plus du tiers en 2014 aurait pu être greffé.
L’amélioration et la diffusion des imprimantes permettraient d’imprimer des tissus individuels à partir des cellules souches du patient pour les greffer sur le patient. Ensuite, avec l’installation d’imprimantes biologiques dans les hôpitaux pour imprimer des tissus vivants à la demande et sur mesure. Mais aussi l’impression directe de tissus sur ou dans le corps humain par impression de séquences de couches de cellules est envisagée: pour produire des greffons, des tissus pouvant être implantés directement chez le patient. La bio-impression serait donc une solution pour créer un tissu à partir des cellules du patient.
Prothèses
Prothèses bio-imprimées: L’impression utilisant des matériaux de bioprothèse et d’implant limiterait le risque de rejet et d’infection du receveur. Pour y parvenir, les chercheurs utilisent des matériaux entièrement organiques et des cellules souches. Notez que ce type de greffe ne serait utilisé que pour certaines pathologies telles que les trachéotomies, qui laissent des séquelles graves telles que la perte de la parole et un risque élevé d’infection.
Recherche médicale
La bio-impression permet de produire des tissus biologiques à expérimenter en recherche médicale, pharmaceutique et toxicologique. L’objectif est de créer des tissus individualisés, fabriqués à partir des cellules du patient, permettant de sélectionner in vitro les traitements sur ces tissus et de développer des solutions thérapeutiques personnalisées. « L’un des problèmes majeurs auxquels ces entreprises sont confrontées est leur capacité à évaluer avec précision la toxicité de nouveaux traitements sur des cellules humaines, en particulier celles du foie. Entre 1990 et 2010, 25% des traitements ont été retirés du marché ou bloqués en phase 3 en raison d’effets toxiques sur le foie « . Ce type d’application pourrait également permettre de réduire le coût des recherches.
Dans le domaine du cancer, par exemple: il pourrait être possible, grâce à la reconstruction 3D des propres tissus du patient (en tenant compte de l’environnement cellulaire de la tumeur), de tester la chimiothérapie. L’impression en série de tumeurs cancéreuses permettrait aux chercheurs de tester des composés et donc de cibler les molécules les plus efficaces pour une mutation donnée. Pour le moment, les patients sont utilisés comme cobayes pour ces tests. Le temps de développement actuel des traitements est long et pourrait s’accélérer par la bio-impression de tissus malades.
L’utilisation de tissus bio-imprimés pourrait réduire les coûts et les processus de recherche et de développement de nouveaux traitements. Selon une étude, « Entre 1997 et 2011, les 12 plus grandes sociétés pharmaceutiques ont dépensé 802,5 milliards de dollars en recherche et développement pour enfin approuver 139 nouveaux traitements. Le processus menant à la commercialisation d’un médicament unique a donc coûté en moyenne 5,77 milliards de dollars. En d’autres termes, 40% des investissements n’auraient pas dépassé le stade du laboratoire « . Les sociétés cosmétiques et pharmaceutiques apportent un soutien financier important aux laboratoires de recherche en bio-impression.
Impression in vivo
L’impression in vivo consiste à imprimer directement le tissu du patient. Par exemple, BioPen est capable de réparer les fractures et les plaies en injectant un mélange de cellules souches avec un gel de biopolymère (extrait d’algue: protéines qui accélèrent la régénération). Ce mélange étant combiné dans le BioPen, il suffit de superposer des couches successives à la surface de l’os ou du cartilage manquant pour combler la zone endommagée. Une source ultraviolette attachée au stylo solidifie instantanément la substance. Au fil du temps, le gel protecteur se dégrade et les cellules se multiplient et se dissocient pour devenir des cellules nerveuses, musculaires et osseuses afin de réparer la région. Cette technique permet une plus grande précision et réduit le temps de chirurgie. Elle est apparue à l’Université de Wollongong en Australie et les tests de laboratoire sont concluants, mais les essais cliniques débuteront sous peu à l’hôpital St Vincent de Melbourne. Il est alors possible de réparer une fracture instantanément et pourquoi pas de réparer également la peau et les organes. L’impression in vivo a notamment été testée sur de grandes plaies brûlées dans l’espoir de guérir les blessures graves des soldats directement sur le champ de bataille, par exemple.
Viande synthétique
Une entreprise américaine, Modern Meadow, a réuni 350 000 dollars pour créer une imprimante 3D capable d’imprimer de la viande. Cette technologie pourrait éviter de tuer des animaux pour nourrir les humains et de rendre la production de viande plus verte et plus économique.
Transhumanisme
L’implantation de prothèses pourrait augmenter l’espérance de vie en remplaçant des parties du corps humain et même en créant des corps surhumains tels que l’oreille bionique créée par des scientifiques de l’Université de Princeton.
Impact
La bioimpression 3D contribue à des avancées significatives dans le domaine médical de l’ingénierie tissulaire en permettant la recherche de matériaux innovants appelés biomatériaux. Les biomatériaux sont les matériaux adaptés et utilisés pour l’impression d’objets tridimensionnels. Certaines des substances les plus remarquables issues de la bio-ingénierie sont généralement plus solides que les matières corporelles moyennes, notamment les tissus mous et les os. Ces composants peuvent servir de substituts futurs, voire d’améliorations, aux matériaux corporels d’origine. L’alginate, par exemple, est un polymère anionique ayant de nombreuses implications biomédicales, notamment la faisabilité, une forte biocompatibilité, une faible toxicité et une plus grande capacité structurelle par rapport à certains matériaux structurels du corps. Les hydrogels synthétiques sont également courants, y compris les gels à base de PV. La combinaison d’un acide avec un agent de réticulation à base de PV initié par UV a été évaluée par l’Institut de médecine de Wake Forest et s’est révélée être un biomatériau approprié. Les ingénieurs explorent également d’autres options, telles que l’impression de micro-canaux permettant de maximiser la diffusion des nutriments et de l’oxygène des tissus voisins. De plus, le Defense Threat Reduction Agency a pour objectif d’imprimer des mini-organes tels que les cœurs, les foies et les poumons. nouveaux médicaments avec plus de précision et peut-être éliminer la nécessité de tester sur les animaux.
Les aspects légaux
La bioimpression étant une technologie relativement nouvelle et qui n’a pas encore abouti, ses aspects juridiques soulèvent encore de vastes problèmes. Cela inclut les réglementations, les brevets, les questions liées à ceux-ci ainsi que le droit de la propriété intellectuelle.
La bio-impression (et la plupart des technologies de biofabrication en général) n’est pas encore disponible pour le grand public. Ainsi, les solutions proposées aux divers problèmes juridiques de cette technologie dans les paragraphes suivants ne sont que des propositions.
Politiques et règlements
L’intervention de l’État dans les domaines de la recherche et de la réglementation des nouvelles technologies est cruciale pour l’avenir de ces dernières. En ce qui concerne la bio-impression, une réglementation trop restrictive pourrait entraîner la création d’un marché noir d’organes imprimés. En effet, si l’accès aux produits imprimés biofonctionnels est trop difficile, il pourrait en effet déboucher sur un marché secondaire où ni le service ni la qualité des produits ne seraient garantis.
Les propositions suivantes viennent de Jaspar L. Tran et sont tirées de son article « To bioprint or not to bioprint »:
Interdiction
La solution la plus simple serait probablement d’interdire toutes les activités liées à la bio-impression, mais cela aurait pour effet de mettre fin à une technologie qui pourrait potentiellement sauver beaucoup de vies humaines à long terme. Une autre solution serait une interdiction avec une exception pour la recherche et les urgences. C’est une solution similaire à la précédente mais, cette fois-ci, avec la permission de poursuivre les recherches et les expériences. Cependant, les questions des personnes qualifiées pour mener des travaux de recherche, des sources de financement (privé / public), etc. restent à débattre.
Autorégulation
Une solution diamétralement opposée à l’interdiction serait de mettre en place, pas de réglementation du tout. Ainsi, l’État compte sur ses citoyens et sur leur capacité à réguler eux-mêmes le marché. Ceci est basé sur l’hypothèse que les individus feront des choses « justes » et éthiques. Dans le cas de la bio-impression, cela peut éventuellement être envisagé car la bio-impression comporte peu de risques. L’État pourrait toujours soutenir cette technologie par le biais de l’éducation et de la diffusion d’instructions de sécurité auprès du grand public, par exemple. Toutefois, cela éliminerait la possibilité de disposer de brevets pour de nouvelles inventions dans ce domaine, ce qui pourrait réduire le budget de recherche. Il est toujours possible de financer des recherches via le.
Octroi de brevets et de propriété intellectuelle
Les brevets et la propriété intellectuelle dominent toute nouvelle technologie à fort potentiel de commercialisation et la bio-impression fait bien sûr partie de ce type de technologie. Selon nous, nous pouvons identifier cinq catégories principales auxquelles peuvent appartenir les différents brevets sur la bio-impression:
Matériaux de matrice d’hydrogel / extracellulaire (ECM)
Isolement et croissance cellulaire
bioréacteur
Méthodes de fabrication / distribution
Nouvelles méthodes d’impression 3D
Patent Pro Reasons
Nous devons être en mesure de déposer des brevets sur la bio-impression afin de promouvoir l’innovation et permettre aux inventeurs de récupérer un retour sur investissement. Notons que la bio-impression en est encore à ses balbutiements et que sans recherche et développement supplémentaires sur cette technologie, il est probable que celle-ci stagnera, comme ce fut le cas pour la technologie du clonage.
Problématique
Le problème avec le brevetage de la bio-impression est le fait que la loi interdit généralement le brevetage d’un organisme humain (voir la question de la brevetabilité de la vie). Mais les choses ne sont pas si simples dans le cas de la bio-impression. Il faut savoir qu’un produit est brevetable s’il est créé par l’homme et n’apparaît pas convenablement dans la nature.
Techniquement, tout ce qui a trait à la bio-impression est le fruit de l’ingéniosité et de la création humaine: les processus de fabrication ainsi que les organes bio-imprimés. Le point le plus difficile à prouver est le fait qu’un produit bio-imprimé n’apparaît pas naturellement dans la nature. Si un organe ou un tissu imprimé est une réplique exacte d’un organe ou d’un tissu humain, le produit bio-imprimé ne peut pas être breveté. Ainsi, les tissus bio-imprimés, bien qu’ils soient très similaires aux tissus humains (au niveau fonctionnel), sont (pour le moment) structurellement différents de ces derniers, ce qui leur permet d’être brevetables.
Une solution qui pourrait éviter les divers problèmes et oppositions à la brevetabilité des produits bio-imprimés serait de ne breveter que le procédé de fabrication et non le produit en tant que tel.
Débat éthique et social
La bio-impression est un sujet qui intéresse de plus en plus de chercheurs, comme en témoigne la littérature scientifique dont le nombre d’articles sur le sujet augmente rapidement, de 2012 à 202 en 2015. Cependant, la bio-impression est une technologie qui pourrait susciter de nombreux débats éthiques et soulever un certain nombre de problèmes moraux.
En 2016, des chercheurs de l’Université nationale de Singapour ont publié un article proposant une approche méthodique et globale visant à placer les questions éthiques au premier plan de la recherche en bio-impression.
Stratification sociale
La bio-impression est une technologie récente et potentiellement coûteuse. Il ne sera peut-être accessible qu’à une petite fraction de la population plus aisée. Un accès inégal à cette technologie pourrait conduire à une stratification sociale divisant les personnes en fonction de leurs revenus et permettant aux plus riches de vivre plus longtemps et en meilleure santé.
Utilisation de cellules souches
La bio-impression repose notamment sur l’utilisation de cellules souches qui présentent l’avantage de pouvoir se multiplier et se spécialiser. Selon l’origine de ces cellules (embryons), des questions éthiques et sociales peuvent se poser.
Des risques
L’utilisation de cellules souches et la multiplication cellulaire intense nécessaire à la création d’organes de synthèse suggèrent que certains risques de prolifération cellulaire ne sont pas exclus. Ces risques incluent la formation de tératomes ou de cancers, ainsi que le déplacement ou la migration des implants. La plupart des études de bio-impression ont montré des résultats convaincants à court terme, mais il est nécessaire de mener des études in vivo pour évaluer les risques à long terme.
Débat sur les cellules souches embryonnaires (ESC)
Les embryons sont une source très intéressante de cellules souches pluripotentes pour l’ingénierie tissulaire, mais la collecte et l’utilisation d’embryons font l’objet de vives discussions. Ces débats sont influencés notamment par des facteurs culturels et religieux.
Différentes positions des religions
En 2003, une étude publiée dans Advances in Experimental Medicine and Biology en février 2003 explique comment les différentes religions perçoivent la recherche sur les cellules souches embryonnaires et le clonage thérapeutique et reproductif.
Les catholiques et les orthodoxes interdisent la recherche sur le CST et refusent toute forme de clonage.
Les protestants acceptent les recherches sur le CST et le clonage thérapeutique si elles sont menées de manière raisonnable et éthique, mais refusent le clonage reproductif.
Les musulmans, comme les protestants, acceptent la recherche et le clonage thérapeutique, à condition que cela soit fait sur des embryons de moins de 4 mois. Ils refusent toutefois le clonage reproductif.
Les Juifs, pour leur part, acceptent la recherche et le clonage tant que le clone est stérile et que les embryons ont été utilisés moins de 40 jours.
Enfin, en ce qui concerne les bouddhistes, ils s’opposent à la recherche sur les CES et le clonage thérapeutique. D’autre part, ils acceptent le clonage reproductif à condition qu’aucune modification génétique ne soit effectuée.
Différences de perceptions par pays
Un rapport (Au-delà de la licéité de la recherche sur les cellules embryonnaires et souches: exigences de fond et garanties procédurales) contenant une analyse comparative des réglementations en vigueur concernant l’utilisation et la recherche de CES dans plus de pays a été publié en 2006. note la recherche sur les cellules souches embryonnaires varie énormément d’un pays à l’autre.
Le clonage thérapeutique est interdit en France, en Allemagne, en Espagne, en Italie, en Autriche, en Irlande, en Israël, en Suède, en Belgique, en Inde, au Canada et en Australie. Au contraire, il est autorisé au Royaume-Uni, au Danemark, au Japon, aux Pays-Bas et en Corée. On constate que les positions varient d’un pays à l’autre en dépit de leur proximité géographique, le clonage thérapeutique étant interdit en Irlande mais autorisé au Royaume-Uni.
La plupart des pays qui ont adopté un règlement interdisant la recherche et l’utilisation d’embryons invoquent comme justification éthique le fait que seule l’une des manipulations visant à améliorer les conditions de développement et la santé de l’embryon est acceptable. Ainsi, en ne permettant que les recherches qui profitent aux embryons et en laissant de côté tout autre objectif scientifique, cette politique confère un statut juridique aux embryons.
Au contraire, certains pays acceptent globalement la recherche sur les embryons et leurs cellules souches car ils considèrent qu’il est plus important de réduire les souffrances et la mort des humains (par opposition aux embryons humains). Ainsi, cette recherche est considérée et réglementée comme une recherche thérapeutique. Dans plusieurs pays, tels que la Suisse, le Japon, la France, le Brésil et l’Islande, nous acceptons la recherche sur les embryons in vitro dans la mesure où elle contribue à des avancées majeures dans le domaine thérapeutique.
Ces fortes différences de perceptions pourraient fortement influer sur la manière dont la bio-impression pourrait être acceptée. Il est donc important d’étudier et de refléter ces perceptions complexes et largement liées à la religion et à la culture et aux influences politiques.