La nouvelle innovation permet aux scientifiques de créer des réseaux vasculaires exquisément enchevêtrés qui imitent les passages naturels du corps pour le sang, l’air, la lymphe et d’autres fluides vitaux.
La recherche est présentée en couverture du numéro de Science de cette semaine. Elle comprend une preuve de principe visuellement étonnante — un modèle d’hydrogel d’un sac d’air imitant les poumons, dans lequel les voies respiratoires délivrent de l’oxygène aux vaisseaux sanguins environnants. Sont également rapportées des expériences d’implantation de constructions bioprintées contenant des cellules hépatiques chez des souris.
Les travaux ont été dirigés par les bioingénieurs Jordan Miller de l’Université Rice et Kelly Stevens de l’Université de Washington (UW) et ont inclus 15 collaborateurs de Rice, de l’UW, de l’Université Duke, de l’Université Rowan et de Nervous System, une société de conception de Somerville, dans le Massachusetts.
« L’un des plus grands obstacles à la génération de remplacements de tissus fonctionnels a été notre incapacité à imprimer la vascularisation complexe qui peut fournir des nutriments aux tissus densément peuplés », a déclaré Miller, professeur adjoint de bio-ingénierie à la Brown School of Engineering de Rice. « De plus, nos organes contiennent en réalité des réseaux vasculaires indépendants – comme les voies respiratoires et les vaisseaux sanguins du poumon ou les canaux biliaires et les vaisseaux sanguins du foie. Ces réseaux interpénétrés sont physiquement et biochimiquement enchevêtrés, et l’architecture elle-même est intimement liée à la fonction des tissus. Notre technologie est la première technologie de bio-impression qui relève le défi de la multivascularisation de manière directe et complète »
Stevens, professeur adjoint de bio-ingénierie à l’UW College of Engineering, professeur adjoint de pathologie à l’UW School of Medicine et chercheur à l’UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, a déclaré que la multivascularisation est importante car la forme et la fonction vont souvent de pair.
« L’ingénierie tissulaire a lutté avec cela pendant une génération », a déclaré Stevens. « Avec ce travail, nous pouvons maintenant mieux nous demander : ‘Si nous pouvons imprimer des tissus qui ressemblent et maintenant même respirent davantage aux tissus sains de notre corps, est-ce qu’ils vont aussi se comporter fonctionnellement davantage comme ces tissus ?’. C’est une question importante, car le fonctionnement d’un tissu bio-imprimé aura une incidence sur son succès en tant que thérapie. »
L’objectif de bio-imprimer des organes sains et fonctionnels est motivé par le besoin de transplantations d’organes. Rien qu’aux États-Unis, plus de 100 000 personnes sont inscrites sur des listes d’attente de transplantation, et celles qui finissent par recevoir les organes d’un donneur sont confrontées à une vie entière de médicaments immunosuppresseurs pour prévenir le rejet de l’organe. La bio-impression a suscité un vif intérêt au cours de la dernière décennie, car elle pourrait théoriquement résoudre ces deux problèmes en permettant aux médecins d’imprimer des organes de remplacement à partir des propres cellules d’un patient. Une réserve d’organes fonctionnels pourrait un jour être déployée pour traiter des millions de patients dans le monde.
« Nous envisageons que la bio-impression devienne une composante majeure de la médecine dans les deux prochaines décennies », a déclaré Miller.
« Le foie est particulièrement intéressant parce qu’il remplit un nombre ahurissant de 500 fonctions, probablement le deuxième après le cerveau », a déclaré Stevens. « La complexité du foie signifie qu’il n’existe actuellement aucune machine ou thérapie capable de remplacer toutes ses fonctions lorsqu’il tombe en panne ». Les organes humains bioprimés pourraient un jour fournir cette thérapie. »
Pour relever ce défi, l’équipe a créé une nouvelle technologie de bioimpression à code source ouvert baptisée « appareil de stéréolithographie pour l’ingénierie tissulaire », ou SLATE. Le système utilise la fabrication additive pour fabriquer des hydrogels mous, une couche à la fois.
Les couches sont imprimées à partir d’une solution liquide de pré-hydrogel qui devient un solide lorsqu’elle est exposée à la lumière bleue. Un projecteur de traitement numérique de la lumière éclaire par le dessous, affichant des tranches 2D séquentielles de la structure à haute résolution, avec des tailles de pixels allant de 10 à 50 microns. Lorsque chaque couche se solidifie à son tour, un bras suspendu soulève le gel 3D en croissance juste assez pour exposer le liquide à l’image suivante du projecteur. L’idée maîtresse de Miller et de Bagrat Grigoryan, étudiant diplômé de l’université du Rice et principal co-auteur de l’étude, a été l’ajout de colorants alimentaires qui absorbent la lumière bleue. Ces photoabsorbeurs confinent la solidification à une couche très fine. De cette façon, le système peut produire des gels mous, à base d’eau, biocompatibles et dotés d’une architecture interne complexe en quelques minutes.
Les tests de la structure imitant les poumons ont montré que les tissus étaient suffisamment solides pour éviter d’éclater pendant la circulation sanguine et la « respiration » pulsatile, une entrée et une sortie d’air rythmée qui simule les pressions et les fréquences de la respiration humaine. Les tests ont révélé que les globules rouges pouvaient absorber de l’oxygène lorsqu’ils circulaient dans un réseau de vaisseaux sanguins entourant le sac d’air « respirant ». Ce mouvement de l’oxygène est similaire à l’échange gazeux qui se produit dans les sacs d’air alvéolaires du poumon.
Pour concevoir la structure imitant le poumon la plus compliquée de l’étude, qui figure sur la couverture de Science, Miller a collaboré avec les coauteurs de l’étude Jessica Rosenkrantz et Jesse Louis-Rosenberg, cofondateurs de Nervous System.
« Lorsque nous avons fondé Nervous System, c’était dans le but d’adapter les algorithmes de la nature dans de nouvelles façons de concevoir des produits », a déclaré Rosenkrantz. « Nous n’avions jamais imaginé que nous aurions la possibilité de ramener cela et de concevoir des tissus vivants. »
Dans les tests d’implants thérapeutiques pour les maladies du foie, l’équipe a imprimé en 3D des tissus, les a chargés de cellules primaires du foie et les a implantés dans des souris. Les tissus avaient des compartiments séparés pour les vaisseaux sanguins et les cellules hépatiques et ont été implantés chez des souris souffrant de lésions hépatiques chroniques. Les tests ont montré que les cellules hépatiques ont survécu à l’implantation.
Miller a déclaré que le nouveau système de bio-impression peut également produire des caractéristiques intravasculaires, comme des valves bicuspides qui permettent au fluide de s’écouler dans une seule direction. Chez l’homme, les valves intravasculaires se trouvent dans le cœur, les veines des jambes et les réseaux complémentaires comme le système lymphatique qui n’ont pas de pompe pour conduire le flux.
« Avec l’ajout de la structure multivasculaire et intravasculaire, nous introduisons un ensemble étendu de libertés de conception pour l’ingénierie des tissus vivants », a déclaré Miller. « Nous avons maintenant la liberté de construire un grand nombre de structures complexes que l’on trouve dans le corps ».
Miller et Grigoryan commercialisent des aspects clés de la recherche par le biais d’une jeune entreprise basée à Houston appelée Volumetric. La société, que Grigoryan a rejoint à temps plein, conçoit et fabrique des bio-imprimantes et des bioindications.
Miller, un champion de longue date de l’impression 3D open-source, a déclaré que toutes les données sources des expériences de l’étude publiée dans Science sont librement disponibles. En outre, tous les fichiers imprimables en 3D nécessaires à la construction de l’appareil d’impression stéréolithographique sont disponibles, tout comme les fichiers de conception pour l’impression de chacun des hydrogels utilisés dans l’étude.
« Rendre les fichiers de conception des hydrogels disponibles permettra à d’autres d’explorer nos efforts ici, même s’ils utilisent une future technologie d’impression 3D qui n’existe pas aujourd’hui », a déclaré Miller.
Miller a déclaré que son laboratoire utilise déjà les nouvelles techniques de conception et de bio-impression pour explorer des structures encore plus complexes.
« Nous ne sommes qu’au début de notre exploration des architectures trouvées dans le corps humain », a-t-il déclaré. « Nous avons encore tellement à apprendre. »
Les autres coauteurs de l’étude sont Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat et Anderson Ta de Rice ; Daniel Corbett, Chelsea Fortin et Fredrik Johansson de l’UW ; John Gounley et Amanda Randles de Duke ; et Peter Galie de Rowan.
Ces travaux ont été soutenus par la Robert J. Kleberg, Jr. and Helen C. Kleberg Foundation, la John H. Tietze Foundation, la National Science Foundation (1728239, 1450681 et 1250104), les National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 et DP5OD019876) et le Gulf Coast Consortia.
VIDEO est disponible à :
.