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L'Usine Santé

Le vivant s’imprime en 3 D

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Publié le

Utiliser des imprimantes pour fabriquer des tissus biologiques, voire des organes, c’est possible. Un espoir pour la médecine régénérative, mais aussi pour le test de médicaments.

Le vivant s’imprime en 3 D © En Caroline du Nord (États-Unis), une équipe du Wake Forest institute for regenerative medecine est parvenue à imprimer un rein.

Qu’on le regrette ou non, fabriquer "à la demande" un rein ou un foie à partir de vos propres cellules, ce n’est pas encore pour demain. Ce serait pourtant une solution idéale pour la médecine régénérative : plus besoin d’attendre un donneur d’organes, plus de problèmes de rejet. Des spécialistes de l’ingénierie des tissus y croient pourtant. Certains envisagent même une méthode radicale pour y parvenir : imprimer l’organe couche par couche avec, par exemple, une imprimante à jet d’encre. À ceci près que l’"encre" est, dans ce cas, un liquide contenant des cellules vivantes… Efficaces, les techniques d’impression actuelles permettent en effet de réaliser, à haute cadence, des motifs et des architectures complexes, telles qu’on les trouve dans des tissus biologiques. Du plus simple comme la peau ou la cornée, au plus complexe comme un organe complet. Des dizaines d’équipes y travaillent dans le monde. L’une d’elles a donné naissance à Organovo, la première start-up californienne à mettre des "bio-imprimantes" sur le marché.

Pour le moment, les adeptes du "bioprinting" ont juste montré qu’ils savaient construire un tissu avec plusieurs couches de cellules. Un tissu qui s’avère néanmoins viable in vitro, et même in vivo, puisque des essais d’implantation sur l’animal ont donné des résultats satisfaisants. Mais à plus long terme, le bioprinting ouvre des perspectives. "Après avoir soulevé beaucoup d’espoirs, l’ingénierie des tissus a eu peu de retombées industrielles ou cliniques. La difficulté est de reproduire la complexité du vivant avec des méthodes très artisanales et peu reproductibles. L’impression apporte une réponse, en autorisant la construction de structures complexes par des techniques automatisées", affirme Fabien Guillemot, qui dirige une équipe sur le bioprinting au sein du Laboratoire de bio-ingénierie tissulaire de Bordeaux.
Déjà une machine à micro-extrusion
Techniquement, l’idée improbable d’imprimer du vivant est née le jour où un chercheur a pensé remplacer l’encre de son imprimante HP par des cellules. Mais c’est l’arrivée des imprimantes 3 D fabriquant couche par couche des objets en polymères qui a libéré l’imagination des chercheurs. En effet, avec ces techniques il est facile de créer une structure poreuse très fine en polymère, utilisée ensuite comme support pour faire croître des cellules dans un incubateur. Les recherches continuent et des essais cliniques pourraient avoir lieu dans les prochaines années. Cependant, les difficultés soulevées par la présence d’un support en polymère, comme une réponse inflammatoire, ont poussé les chercheurs à s’en affranchir : pourquoi ne pas imprimer directement le tissu ? Ainsi, les méthodes d’impression de cellules se sont multipliées.

La micro-extrusion (méthode industrialisée par Organovo) a été développée notamment par l’équipe de Gabor Forgacs, à l’université du Missouri (États-Unis). Elle consiste à pousser dans une micro-aiguille des agrégats de cellules, en alternance avec un hydrogel. Après passage dans un incubateur, le tissu acquiert sa structure 3 D finale. Récemment, l’équipe de Gabor Forgacs a imprimé des greffons de vaisseaux sanguins et de nerfs. Organovo, de son côté, a des accords de collaboration avec le laboratoire pharmaceutique Pfizer et avec un centre américain de recherche sur le cancer de l’Oregon health and science university. Leur but est de fabriquer des tissus pour tester des médicaments. Reste que la fabrication de tissus relève bien de l’ingénierie. Pour preuve, la start-up travaille aussi avec Autodesk… pour créer de nouveaux logiciels de pilotage de son imprimante.

Photolithographier le cerveau, c’est possible
Empruntée aux techniques de fabrication de circuits intégrés, la photolithographie a inspiré à des chercheurs du MIT et de la Harvard medical school une méthode pour fabriquer des tissus biologiques complexes. Ils ont mélangé des cellules du cerveau d’un rat avec un hydrogel, qui polymérise sous l’action d’un faisceau lumineux. Couche par couche, en utilisant des masques qui permettent de n’exposer qu’une partie du gel, ils ont construit un tissu en 3 D à l’architecture complexe, représentative de la diversité des neurones. Dans un premier temps, ces tissus lithographiés devraient permettre d’étudier les connexions neuronales.

 


Laser et jet d’encre aussi dans la course
Une autre technique en vogue est le transfert par laser : des impulsions laser éjectent vers un support des microgouttes contenant les cellules. "La viabilité des cellules a été démontrée, y compris in vivo, sur la souris", souligne Fabien Guillemot à l’Inserm, qui a mis au point une imprimante LAB, pour "laser assisted bioprinting". D’autres labos (le Naval research center, l’Institut Fraunhofer, l’université de Barcelone…) ont choisi cette voie, dont le point fort est sa haute résolution, favorable à une bonne interconnexion des cellules. 

Quant au jet d’encre, depuis sa première expérimentation sommaire, il progresse : son faible coût le rend très attractif. "L’impression par jet d’encre offre le meilleur compromis entre la résolution spatiale, le respect de l’intégrité des cellules et la facilité d’utilisation", affirme Brian Derby, qui dirige une équipe sur le bioprinting à l’université de Manchester. Les Britanniques veulent utiliser le jet d’encre pour imprimer des "films" contenant plusieurs types de cellules localisées à des endroits ciblés. Les films sont ensuite empilés pour former un tissu en 3 D. Ils espèrent ainsi fabriquer des greffons fonctionnels pour la bouche ou l’intérieur du nez.
Vers une impression hybride
Chaque technique ayant ses atouts et ses défauts, les associer pourrait être payant. "Le développement d’imprimantes hybrides est une piste à explorer", plaide Anthony Atala, le directeur du Wake Forest institute for regenerative medicine, de Caroline du Nord (États-Unis). Son équipe a fabriqué du cartilage en couplant jet d’encre (pour les cellules) et filage électrostatique (pour le dépôt d’un polymère biodégradable). L’impression hybride pourrait répondre au principal défi à venir : créer un réseau sanguin pour reconstruire des organes complets viables. "La création d’un réseau vasculaire en biomatériau ne pose pas de problème avec une imprimante 3 D. Le vrai défi est de maintenir cette structure dans un bioréacteur en contrôlant la croissance des cellules", précise Brian Derby. Plusieurs équipes dans le monde travaillent sur la vascularisation. Les résultats sont attendus d’ici trois à cinq ans. L’autre question clé est d’orienter la croissance des tissus vers l’architecture visée. Un problème de "reverse engineering", dirait un ingénieur, ou plutôt de morphogénèse, le processus de formation des tissus et organes, puisqu’ici c’est la matière vivante qui fait l’ingénierie.

Ces questions n’empêchent pas les chercheurs d’avancer, notamment vers l’utilisation d’imprimantes in vivo sur les patients. Ainsi, l’équipe d’Anthony Atala veut imprimer des cellules de peau… sur une brûlure. L’opération serait pilotée à partir d’un scan de la lésion, afin d’ajuster au mieux le type et le nombre de cellules à imprimer.

 

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