Bio-impression du premier vaisseau sanguin organique

Si la bio-impression 3D et le bioassemblage ne cessent de révolutionner l’ingénierie tissulaire dans les domaines de la médecine génératrice et réparatrice, la création d’implants organiques biocompatibles est encore un terrain presque vierge. En effet, il est encore très difficile de reproduire la structure complexe des interfaces tissulaires et la perfusion vasculaire. Une équipe de la Jacobs School of Engineering de l’University of California San Diego et de la Sichuan University de Chine a réussi à imprimer un vaisseau sanguin biocompatible. Leur étude intitulée “Direct 3D bioprinting of prevascularized tissue constructs with complex microarchitecture” a été publiée dans le journal Biomaterials le 2 février 2017. Elle a été coécrite par Wei Zhu, Xin Qu, Jie Zhu, Xuanyi Ma, Sherrina Patel, Justin Liu, Pengrui Wang, Cheuk Sun Edwin Lai, Yang Xu, Kang Zhang et Shaochen Chen.

Comme l’hydre de Lerne

Cette technologie permettra dans un futur proche de créer des organes artificiels biologiques fonctionnels réalisant de fait le mythe de l’hydre de Lerne. Des chercheurs du Nanobiomaterials, Bioprinting and Tissue Engineering Lab à l’UC San Diego ont pu imprimer un vaisseau sanguin pouvant être connecté, sans aucun risque de rejet ou de complications, au réseau vasculaire humain. La nouvelle recherche, menée par le professeur de nanotechnologie Shaochen Chen, a réussi l’un des plus grands défis de l’ingénierie tissulaire à savoir créer des tissus et des organes ayant des réseaux vasculaires fonctionnels, c’est-à-dire des réseaux de vaisseaux sanguins qui peuvent transporter le sang du corps hôte. De plus, ces vaisseaux seront prochainement capables de transférer d’autres matériaux biologiques. D’autres chercheurs ont déjà imprimé des vaisseaux sanguins artificiels, mais la technologie utilisée était souvent lente et coûteuse, et ne pouvait réaliser seulement que des structures très simples, incapables d’assurer la perfusion vasculaire, c’est-à-dire l’irrigation d’un organe en sang comportant l’oxygène et les nutriments nécessaires au métabolisme. Cette nouvelle méthode peut imprimer rapidement, à partir d’une imprimante 3D fabriquée par l’équipe, des biostructures fonctionnelles complexes. La technologie utilisée a été inventée par ce laboratoire pour imprimer des tissus vivants et des poissons microscopiques capables de se déplacer dans le corps humain pour détecter les toxines.

Des méthodes de modélisation et d’impression innovantes

Les chercheurs ont conçu d’abord un modèle numérique tridimensionnel de la structure biologique en utilisant une technologie d’imagerie médicale. Le recours à cette technologie leur a permis de numériser et par la suite d’imprimer l’image d’une structure tissulaire contenant des cellules endothéliales, qui sont les cellules qui forment la paroi interne des vaisseaux sanguins. La partie du vaisseau utilisée comme modèle mesure 4 mm x 5 mm et a une épaisseur de 600 micromètres, l’équivalent d’une pile contenant 12 brins de cheveux humains. Un programme a transféré par la suite le modèle numérisé sous forme d’images bidimensionnelles instantanées (snapshot) à des miroirs microscopiques. Ces derniers ont servi à projeter des motifs de lumière ultraviolette reproduisant les configurations des images instantanées. Les motifs UV ont par la suite été projetés sur une solution contenant des cellules vivantes et des polymères photosensibles qui se solidifient lorsqu’exposés à la lumière UV. La structure est ainsi imprimée rapidement couche par couche, formant un échafaudage 3D en polymère solide qui encapsule des cellules vivantes. Ces cellules se développent et deviennent des tissus biologiques. L’échafaudage est une sorte d’assemblage biologique élémentaire qui sera capable par la suite de croître et de fusionner avec un corps récepteur.

Cette méthode permet de reproduire des structures vasculaires microscopiques à haute résolution par rapport aux technologies existantes. En plus, elle utilise un matériel peu coûteux et des substances biocompatibles. Les chercheurs ont cultivé in vitro (dans une matrice biologique) plusieurs structures imprimées pendant une journée. Puis ils ont greffé les tissus dans les plaies cutanées d’une souris. Après deux semaines, ils ont examiné les implants et ont constaté que ces derniers avaient réussi à se développer et à fusionner avec le réseau de vaisseaux sanguins hôte, permettant au sang de circuler normalement.

Cette étude a été financée par le California Institute for Regenerative Medicine, le National Institutes of Health et la National Science Foundation.