L’impression tridimensionnelle (3D) n’est pas seulement un moyen de fabriquer rapidement des produits matériels. Elle offre également aux chercheurs un moyen de développer des répliques de tissus humains qui pourraient être utilisées pour améliorer la santé humaine, comme la construction d’organes pour la transplantation, l’étude de la progression des maladies et le dépistage de nouveaux médicaments. Bien que les chercheurs aient progressé au fil des ans, le domaine a été entravé par les technologies existantes limitées, incapables d’imprimer des tissus à haute densité cellulaire à grande échelle.
Une équipe de chercheurs de l’État de Pennsylvanie (USA) a mis au point une nouvelle technique de bio-impression qui utilise des sphéroïdes, c’est-à-dire des groupes de cellules, pour créer des tissus complexes. Cette nouvelle technique améliore la précision et l’évolutivité de la fabrication de tissus, produisant des tissus dix fois plus rapidement que les méthodes existantes. Selon les chercheurs, elle ouvre la voie au développement de tissus et d’organes fonctionnels et aux progrès dans le domaine de la médecine régénérative.
« Cette technique constitue une avancée significative dans la bio-impression rapide de sphéroïdes », a commenté Ibrahim T. Ozbolat, titulaire de la chaire Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck sur la bio-impression 3D et la médecine régénérative et professeur de sciences de l’ingénierie et de mécanique, d’ingénierie biomédicale et de neurochirurgie à Penn State. « Il permet la bio-impression de tissus à haut débit, à une vitesse beaucoup plus rapide que les techniques existantes, avec une viabilité cellulaire élevée. »
La bio-impression permet aux chercheurs de construire des structures en 3D à partir de cellules vivantes et d’autres biomatériaux. Les cellules vivantes sont encapsulées dans un substrat tel qu’un hydrogel pour fabriquer une bio-encre, qui est ensuite imprimée en couches à l’aide d’une imprimante spécialisée. Ces cellules se développent et prolifèrent, et finissent par se transformer en tissu 3D en l’espace de plusieurs semaines. Ozbolat explique que c’est comme construire un mur de briques, les cellules étant les briques et la bioink le ciment ou le mortier.
« Cependant, il est difficile d’obtenir la même densité cellulaire que celle que l’on trouve dans le corps humain avec cette approche standard », a précisé M. Ozbolat. Cette densité cellulaire est essentielle pour développer des tissus qui soient à la fois fonctionnels et utilisables dans un cadre clinique. Les sphéroïdes, en revanche, constituent une alternative prometteuse pour la bio-impression de tissus, car leur densité cellulaire est similaire à celle des tissus humains.
Si l’impression 3D de sphéroïdes constitue une solution viable pour produire la densité nécessaire, les chercheurs ont été limités par l’absence de techniques évolutives. Les méthodes de bio-impression existantes endommagent souvent les structures cellulaires délicates au cours du processus d’impression, tuant ainsi certaines des cellules. D’autres technologies sont encombrantes et n’offrent pas un contrôle précis du mouvement et du placement des sphéroïdes nécessaires pour créer des répliques de tissus humains.
Ou encore, les processus sont lents. Dans une recherche publiée précédemment, M. Ozbolat et ses collègues ont mis au point un système de bio-impression assistée par aspiration. À l’aide d’une pointe de pipette, les chercheurs ont pu prélever de minuscules boules de cellules et les placer précisément à l’endroit où elles s’auto-assemblent et créent un tissu solide. Toutefois, comme la technique implique de déplacer les sphéroïdes un par un, la construction d’une structure d’un centimètre cube peut prendre des jours.
Pour résoudre ces problèmes, l’équipe a mis au point une nouvelle technique appelée « High-throughput Integrated Tissue Fabrication System for Bioprinting » (HITS-Bio). HITS-Bio utilise un réseau de buses à commande numérique, un agencement de buses multiples qui se déplace en trois dimensions et permet aux chercheurs de manipuler plusieurs sphéroïdes en même temps. L’équipe a organisé les buses en un réseau de quatre par quatre, ce qui permet de prélever 16 sphéroïdes simultanément et de les placer sur un substrat d’encre biologique avec rapidité et précision. Le réseau de buses peut également prélever des sphéroïdes selon des schémas personnalisés, qui peuvent ensuite être répétés pour créer l’architecture que l’on trouve dans les tissus complexes.
« Nous pouvons alors construire des structures évolutives très rapidement », a expliqué M. Ozbolat. « C’est dix fois plus rapide que les techniques existantes et la viabilité des cellules est maintenue à plus de 90 %. »
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Pour tester la plateforme, l’équipe a entrepris de fabriquer du tissu cartilagineux. Elle a créé une structure d’un centimètre cube contenant environ 600 sphéroïdes de cellules capables de former du cartilage. Le processus a duré moins de 40 minutes, un rythme très efficace qui dépasse la capacité des technologies de bio-impression existantes.
L’équipe a ensuite montré que la technique de bioimpression pouvait être utilisée pour la réparation tissulaire à la demande dans le cadre d’une intervention chirurgicale sur un modèle de rat. Ils ont imprimé des sphéroïdes directement dans une plaie du crâne au cours d’une intervention chirurgicale, ce qui était la première fois que des sphéroïdes étaient imprimés en préopératoire.
Les chercheurs ont programmé les sphéroïdes pour qu’ils se transforment en os en utilisant la technologie du microARN. Le microARN aide à contrôler l’expression des gènes dans les cellules, y compris la façon dont les cellules se différencient en types spécifiques.
« Comme cette technique permet de délivrer des doses élevées de cellules, la réparation osseuse s’en trouve accélérée », a ajouté M. Ozbolat. « Au bout de trois semaines, la plaie était cicatrisée à 91 % et à 96 % au bout de six semaines seulement. La technique HITS-Bio offre la possibilité de créer des tissus complexes et fonctionnels de manière évolutive, a t-il conclu. L’augmentation du nombre de buses pourrait permettre de produire des tissus plus grands et plus complexes, tels que des organes et des tissus organiques comme le foie. »
M. Ozbolat a indiqué que l’équipe travaillait également sur des techniques permettant d’incorporer des vaisseaux sanguins dans les tissus fabriqués, une étape nécessaire pour produire davantage de types de tissus susceptibles d’être utilisés en clinique ou pour des transplantations. Ce n’était pas un problème pour les deux applications démontrées dans cette étude car le cartilage n’a pas de vaisseaux sanguins et, dans un contexte chirurgical, les vaisseaux sanguins environnants pourraient faciliter la circulation du sang vers le tissu osseux bioprimé.
Légende illustration : Les chercheurs ont imprimé un cube de cartilage d’un centimètre de côté à l’aide du système intégré de fabrication de tissus à haut débit pour la bio-impression (HITS-Bio).Crédit : avec l’aimable autorisation du laboratoire Ozbolat de Penn State / Penn State. Creative Commons
Article : « High-throughput bioprinting of spheroids for scalable tissue fabrication » – DOI: s41467-024-54504-7
