Impression en 3D d’un sac qui imite un poumon
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Les chercheurs ont réussi à imprimer en 3D un genre de sac qui imite le poumon avec tous les réseaux vasculaires. Une étape de plus dans la bioimpression d’organes humains.
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Les bioingénieurs ont franchi un obstacle majeur sur la voie de l’impression 3D d’organes de remplacement avec une technique pour la bioimpression de tissus. La nouvelle innovation permet aux scientifiques de créer des réseaux vasculaires extrêmement enchevêtrés qui imitent les voies de passage naturelles du corps pour le sang, l’air, la lymphe et d’autres fluides vitaux.
Sommaire
- 1 Impression en 3D d’un sac d’air qui imite les poumons
- 2 La complexité des réseaux vasculaires
- 3 La nécessité de trouver des organes
- 4 La bioimpression pour des organes à volonté
- 5 La technologie SLATE
- 6 Un sac qui respire comme un poumon
- 7 Des implantation de tissus de foie chez des souris
- 8 Une technologie avec un code source ouvert
Impression en 3D d’un sac d’air qui imite les poumons
La recherche comprend une preuve de principe, un modèle d’hydrogel d’un sac à air imitant les poumons, dans lequel les voies respiratoires fournissent de l’oxygène aux vaisseaux sanguins environnants. On rapporte également des expériences d’implantation de constructions bioimprimées contenant des cellules du foie chez des souris.
Les travaux ont été menés par les bio-ingénieurs Jordan Miller de l’Université Rice et Kelly Stevens de l’Université de Washington (UW). Quinze collaborateurs de Rice, UW, de l’Université Duke, de l’Université Rowan et de la firme de design Nervous System de Somerville, dans le Massachusetts, ont été inclus.
Jordan Miller, ingénieur de l’Université Rice, a présenté une preuve de principe. Un modèle à l’échelle d’un sac respiratoire imitant les poumons, avec des voies respiratoires et des vaisseaux sanguins qui ne se touchent jamais, mais qui fournissent de l’oxygène aux globules rouges – Crédit : Jordan Miller/Rice University
L’un des obstacles les plus importants à la génération de remplacements de tissus fonctionnels a été notre incapacité à imprimer le système vasculaire complexe qui peut fournir des nutriments aux tissus denses selon Miller, professeur adjoint de bio-ingénierie à la Brown School of Engineering de Rice.
La complexité des réseaux vasculaires
En outre, nos organes contiennent en réalité des réseaux vasculaires indépendants, comme les voies respiratoires et les vaisseaux sanguins du poumon ou les voies biliaires et les vaisseaux sanguins du foie. Ces réseaux interpénétrants sont enchevêtrés physiquement et biochimiquement et l’architecture elle-même est intimement liée aux tissus.
Notre technologie est la première technologie de bioimpression permettant de relever le défi de la multivascularisation de manière directe et complète. Stevens, professeur assistant en bio-ingénierie au UW College of Engineering, professeur assistant en pathologie à la UW School of Medicine et chercheur à l’Institut de médecine UW pour la médecine régénérative et les cellules souches, a déclaré que la multivascularisation est importante, car la forme et la fonction vont souvent de pair.
La nécessité de trouver des organes
L’ingénierie tissulaire peinait énormément sur la multivascularisation selon Stevens. Avec ce travail, nous pouvons maintenant mieux nous demander. Si nous pouvons imprimer des tissus qui ressemblent et qui respirent comme les tissus sains de notre corps, vont-ils également se comporter fonctionnellement comme ces tissus ? C’est une question importante, car la similarité des fonctions d’un tissu bioimprimé affecteront son succès en tant que thérapie.
L’objectif de la bioimpression d’organes sains et fonctionnels est dicté par le besoin de greffes d’organes. Rien que aux États-Unis, plus de 100 000 personnes sont sur les listes d’attente pour une greffe et ceux qui reçoivent finalement des organes de donneurs doivent encore faire face à une vie de médicaments immunodépresseurs destinés à prévenir le rejet d’organe.
La bioimpression pour des organes à volonté
La bioimpression a suscité un vif intérêt au cours de la dernière décennie, car elle pourrait théoriquement résoudre les deux problèmes en permettant aux médecins d’imprimer des organes de remplacement à partir des cellules du patient. Une réserve d’organes fonctionnels pourrait un jour être utilisée pour traiter des millions de patients dans le monde entier.
Des chercheurs de l’Université Rice et de l’Université de Washington ont effectué des expériences pour déterminer si des cellules du foie, appelées hépatocytes, fonctionneraient normalement si elles étaient incorporées dans un implant bioimprimé et implantées par voie chirurgicale chez la souris pendant 14 jours – Crédit : Jordan Miller/Rice University
Nous envisageons que la bioimpression devienne une composante majeure de la médecine dans les deux prochaines décennies selon M. Miller. Le foie est particulièrement intéressant, car il remplit plus de 500 fonctions et c’est le second en polyvalence après le cerveau selon Stevens. En raison de la complexité du foie, il n’existe actuellement aucune machine ou thérapie capable de remplacer toutes ses fonctions en cas de défaillance. Des organes humains à impression biologique pourraient un jour fournir cette thérapie.
La technologie SLATE
Pour relever ce défi, l’équipe a créé une nouvelle technologie de bioimpression à source ouverte, baptisée Stereolithography Apparatus for Tissue Engineering (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 pré-hydrogel liquide qui devient solide lorsqu’elle est exposée à la lumière bleue. Un projecteur de traitement de lumière numérique éclaire la lumière 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.
Avec chaque couche solidifiée à son tour, un bras suspendu soulève le gel 3D en croissance juste assez pour exposer le liquide à la prochaine image du projecteur. La principale innovation de Miller et Bagrat Grigoryan, une étudiante diplômée de Rice et co-auteure principal de l’étude, a été l’ajout de colorants alimentaires qui absorbent la lumière bleue. Ces photoabsorbeurs limitent la solidification à une très fine couche. De cette manière, le système peut produire des gels biocompatibles doux, à base d’eau, avec une architecture interne complexe en quelques minutes.
Un sac qui respire comme un poumon
Des tests de la structure imitant les poumons ont montré que les tissus étaient suffisamment robustes pour éviter l’éclatement lors de la circulation sanguine et une respiration pulsatile, une entrée et une sortie d’air rythmiques simulant les pressions et les fréquences de la respiration humaine. Des tests ont montré que les globules rouges pouvaient absorber de l’oxygène lorsqu’ils circulaient dans un réseau de vaisseaux sanguins entourant le sac respiratoire. Ce mouvement d’oxygène est similaire à l’échange gazeux qui se produit dans les sacs aériens alvéolaires du poumon.
Pour concevoir la structure d’imitation de poumon la plus complexe de l’étude, Miller a collaboré avec les co-auteurs de l’étude, Jessica Rosenkrantz et Jesse Louis-Rosenberg, cofondateurs de Nervous System.Lorsque nous avons fondé Nervous System, notre objectif était d’adapter les algorithmes de la nature à de nouvelles méthodes de conception de produits selon Rosenkrantz. Nous n’avions jamais imaginé que nous aurions la possibilité de le récupérer et de concevoir des tissus vivants.
Des implantation de tissus de foie chez des souris
Dans les tests d’implants thérapeutiques pour les maladies du foie, l’équipe a imprimé en 3D des tissus, les a chargés de cellules hépatiques primaires et les a implantés dans des souris. Les tissus avaient des compartiments séparés pour les vaisseaux sanguins et les cellules du foie et ils ont été implantés chez des souris atteintes d’une lésion hépatique chronique. Les tests ont montré que les cellules hépatiques ont survécu à l’implantation.
Selon Miller, le nouveau système de bioimpression peut également produire des caractéristiques intravasculaires telles que des valves bicuspides qui permettent au fluide de s’écouler dans une seule direction. Chez l’humain, les valves intravasculaires se trouvent dans le coeur, les veines des jambes et des réseaux complémentaires comme le système lymphatique, dépourvus de pompe pour diriger le flux.
Une technologie avec un code source ouvert
Avec l’ajout de la structure multivasculaire et intravasculaire, nous introduisons un vaste ensemble de libertés de conception pour l’ingénierie des tissus vivants selon M. Miller. Nous avons maintenant la liberté de construire bon nombre des structures complexes trouvées dans le corps. Miller et Grigoryan commercialisent les principaux aspects de la recherche par l’intermédiaire d’une jeune entreprise basée à Houston, Volumetric. La société, à laquelle Grigoryan a adhéré à temps plein, conçoit et fabrique des bioimprimantes et des bioencres.
Miller, un partisan de longue date de l’impression 3D à code source ouvert, a déclaré que toutes les données source des expériences de l’étude sont disponibles gratuitement. En outre, tous les fichiers imprimables en 3D nécessaires à la construction de l’appareil d’impression stéréolithographique sont disponibles, de même que les fichiers de conception pour l’impression de chacun des hydrogels utilisés dans l’étude.
La publication des fichiers de conception d’hydrogel permettra aux autres d’explorer nos efforts, même s’ils utilisent une technologie d’impression 3D future qui n’existe pas aujourd’hui selon Miller. Miller a déclaré que son laboratoire utilisait déjà les nouvelles techniques de conception et de bioimpression pour explorer des structures encore plus complexes. Nous n’en sommes qu’au début de notre exploration des architectures dans le corps humain, a-t-il déclaré. Nous avons encore beaucoup à apprendre.
