Il y a plus de 100 000 personnes sur les listes de transplantation d’organes aux États-Unis. Certaines d’entre elles attendront des années avant de recevoir un organe, et d’autres pourraient ne pas survivre à cette attente. Même si le donneur est compatible, il y a un risque que le corps de la personne rejette l’organe. Pour raccourcir les périodes d’attente et réduire le risque de rejet, les chercheurs en médecine régénérative mettent au point des méthodes permettant d’utiliser les propres cellules d’un patient pour fabriquer des cœurs, des reins, des foies et d’autres organes personnalisés à la demande.
Des chercheurs de Stanford ont créé de nouveaux outils pour concevoir et imprimer en 3D les arbres vasculaires incroyablement complexes nécessaires pour transporter le sang dans tout un organe. Leur plateforme, publiée le 12 juin dans Science, génère des dessins qui ressemblent à ce que nous voyons réellement dans le corps humain beaucoup plus rapidement que les tentatives précédentes et est capable de traduire ces dessins en instructions pour une imprimante 3D.
« La capacité d’augmenter les tissus bioprimés est actuellement limitée par la capacité de générer une vascularisation pour eux – vous ne pouvez pas augmenter ces tissus sans fournir un approvisionnement en sang« , a déclaré Alison Marsden, Douglas M. and Nola Leishman Professeur de maladies cardiovasculaires, professeur de pédiatrie et de bio-ingénierie à Stanford dans les écoles de Engineering et Medicine et co-auteur principal de l’article. « Nous avons réussi à faire fonctionner l’algorithme de génération de la vascularisation environ 200 fois plus vite que les méthodes précédentes, et nous pouvons le générer pour des formes complexes, comme les organes.«
Vascularisation à l’échelle de l’organe
Lorsque le sang est pompé vers un organe du corps, il passe d’une grande artère à des vaisseaux sanguins ramifiés de plus en plus petits, où il peut échanger des gaz et des nutriments avec les tissus environnants. Dans la plupart des tissus, les cellules doivent se trouver à la largeur d’un cheveu d’un vaisseau sanguin pour survivre, mais dans les tissus métaboliquement exigeants comme le cœur, la distance est encore plus petite – il peut y avoir plus de 2 500 capillaires dans un cube de la taille d’un millimètre. Tous ces minuscules vaisseaux sanguins finissent par se rejoindre avant de quitter l’organe.
Ces réseaux vasculaires ne sont pas standardisés ; les organes ont des formes très variées, et il existe une grande diversité même entre deux cœurs de taille similaire. Jusqu’à présent, la création d’un modèle de réseau vasculaire réaliste adapté à un organe unique et complexe s’est avérée difficile et a pris énormément de temps. De nombreux chercheurs se sont plutôt appuyés sur des treillis standardisés, qui fonctionnent bien dans les petits modèles de tissus artificiels mais ne s’adaptent pas bien à l’échelle.
Marsden et ses collègues ont élaboré un algorithme pour créer des arbres vasculaires qui imitent étroitement les architectures des vaisseaux sanguins des organes natifs, et ont mis le logiciel à la disposition de tous via leur SimVascular projet à code source ouvert. Ils ont intégré des simulations de dynamique des fluides pour s’assurer que la vascularisation distribuerait uniformément le sang et ont réussi à réduire le temps nécessaire pour générer le réseau tout en évitant les collisions entre les vaisseaux sanguins et en créant une boucle fermée avec une seule entrée et une seule sortie.
« Il a fallu environ cinq heures pour générer un modèle informatique d’un arbre pour vasculariser un cœur humain. Nous sommes parvenus à une densité telle que chaque cellule du modèle se trouvait à une distance de 100 à 150 microns du vaisseau sanguin le plus proche, ce qui est très bien« , a ajouté Zachary Sexton, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Marsden et coauteur de l’article. Le modèle contient un million de vaisseaux sanguins. « Bien que les imprimantes 3D ne soient pas encore en mesure d’imprimer un réseau aussi fin et dense, les chercheurs ont pu concevoir et imprimer un modèle vasculaire comportant 500 branches. Ils ont également testé une version plus simple pour s’assurer qu’elle pouvait maintenir les cellules en vie. À l’aide d’une bioprinter 3D – qui imprime avec des cellules vivantes plutôt qu’avec de la résine ou du métal – les chercheurs ont créé un anneau épais chargé de cellules rénales embryonnaires humaines et ont construit un réseau de 25 vaisseaux le traversant. Ils ont pompé un liquide chargé d’oxygène et de nutriments à travers le réseau et ont réussi à maintenir en vie un grand nombre de cellules à proximité du réseau vasculaire.«
« Nous montrons que ces vaisseaux peuvent être conçus, imprimés et qu’ils peuvent maintenir les cellules en vie« , a commenté Mark Skylar-Scott, professeur adjoint de bio-ingénierie et co-auteur principal de l’article. « Nous savons qu’il reste du travail à faire pour accélérer l’impression, mais nous disposons désormais d’un pipeline pour générer différents arbres vasculaires de manière très efficace et créer un ensemble d’instructions pour les imprimer.«
Un cœur bioimprimé
Les chercheurs s’empressent de préciser que ces réseaux vasculaires ne sont pas encore des vaisseaux sanguins fonctionnels – ce sont des canaux imprimés à travers une matrice 3D, mais ils n’ont pas de cellules musculaires, de cellules endothéliales, de fibroblastes, ni rien d’autre dont ils auraient besoin pour fonctionner par eux-mêmes.
« C’est la première étape vers la création de réseaux vasculaires vraiment complexes« , a dit Dominic Rütsche, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Skylar-Scott et co-premier auteur de l’article. « Nous pouvons les imprimer à des niveaux de complexité jamais vus, mais il ne s’agit pas encore de vaisseaux entièrement physiologiques. La transformation de ces modèles en vaisseaux sanguins fonctionnels n’est qu’un des nombreux aspects de la bio-impression d’un cœur humain fonctionnel sur lequel Skylar-Scott et ses collègues travaillent. Ils étudient également comment encourager les plus petits vaisseaux sanguins – ceux qui sont trop petits ou trop rapprochés pour être imprimés – à se développer d’eux-mêmes, en améliorant les capacités des bio-imprimantes 3D pour les rendre plus rapides et plus précises, et en cultivant les quantités massives de cellules dont ils auront besoin pour imprimer un cœur entier.«
« Il s’agit d’une étape critique dans le processus« , a conclu Skylar-Scott. « Nous avons réussi à générer suffisamment de cellules cardiaques à partir de cellules souches humaines pour imprimer un cœur humain entier, et nous pouvons maintenant concevoir un bon arbre vasculaire complexe pour les nourrir et les faire vivre. Nous sommes maintenant en train de réunir les deux : les cellules et le système vasculaire, à l’échelle de l’organe.«
Article : « Rapid model-guided design of organ-scale synthetic vasculature for biomanufacturing » – DOI : 10.1126/science.adj6152
Source : Stanford
