Un motif semblable à un lobule bio-imprimé contenant les algues, où des cellules densément encapsulées sont visibles. La gauche est une micrographie optique, tandis que la droite montre une micrographie en autofluorescence. Crédit :The Zhang Lab - Laboratoire d'ingénierie
Les algues bio-imprimées en 3D peuvent être exploitées comme source durable d'oxygène pour les cellules humaines dans les tissus vascularisés modifiés, les chercheurs rapportent le 18 novembre dans le journal Question . Ils ont intégré les algues photosynthétiques bio-imprimées, ainsi que des cellules dérivées du foie humain, dans une matrice hydrogel 3-D pour créer des tissus en nid d'abeille avec des lobules, semblable au foie humain. À l'avenir, disent les chercheurs, l'écologique, une approche de bio-impression 3D rentable peut avoir un potentiel pour des applications telles que la modélisation de maladies, développement de médicaments, médecine régénérative et personnalisée, et même le génie alimentaire.
"L'étude est le premier véritable exemple d'ingénierie tissulaire symbiotique combinant des cellules végétales et des cellules humaines d'une manière physiologiquement significative, en utilisant la bio-impression 3D, ", déclare l'auteur principal de l'étude, Y. Shrike Zhang, bioingénieur à la Harvard Medical School et au Brigham and Women's Hospital. "Notre étude fournit un exemple unique de la façon dont nous pouvons exploiter la stratégie symbiotique, très souvent vu dans la nature, pour promouvoir notre capacité à concevoir des tissus humains fonctionnels."
Il existe une demande croissante de tissus artificiels pour remplacer ceux qui ont été endommagés afin de restaurer les fonctions des organes, et au cours de la dernière décennie, Des techniques de bioimpression 3D ont été utilisées pour fabriquer des échafaudages tissulaires pour des applications biomédicales et d'ingénierie tissulaire. Cette approche consiste généralement à déposer une bioencre sur une surface pour produire des structures 3D avec les architectures et les formes souhaitées pour récapituler les organes et les tissus, y compris le système vasculaire, qui joue un rôle essentiel dans le transport de l'oxygène et des nutriments dans tout le corps. Une bioencre est essentiellement un hydrogel contenant des cellules vivantes, biomatériaux, et d'autres suppléments de croissance. Il imite la matrice extracellulaire du tissu souhaité et soutient la croissance des cellules intégrées.
Malgré les progrès réalisés dans la fabrication de tissus 3D, la principale limitation a été de maintenir des niveaux d'oxygène suffisants dans tout le tissu modifié pour favoriser la survie des cellules, croissance, et fonctionnement. Les chercheurs ont tenté de résoudre ce problème en incorporant des biomatériaux libérant de l'oxygène, mais ceux-ci ne fonctionnent généralement pas assez longtemps et sont parfois toxiques pour les cellules car ils produisent des molécules telles que le peroxyde d'hydrogène ou d'autres espèces réactives de l'oxygène. « Une méthode permettant une libération prolongée d'oxygène à partir des tissus modifiés est en demande urgente, " dit Zhang.
Pour répondre à cette demande, Zhang et ses collègues ont développé une méthode de bio-impression 3D à base d'algues pour incorporer des motifs vasculaires dans les tissus modifiés et fournir une source durable d'oxygène pour les cellules humaines dans les tissus. Spécifiquement, ils ont utilisé des algues vertes unicellulaires photosynthétiques appelées Chlamydomonas reinhardtii. Cette stratégie symbiotique profite également aux algues, dont la croissance est partiellement soutenue par le dioxyde de carbone libéré par les cellules humaines environnantes.
Cette illustration montre une interprétation artistique du motif d'algues en forme de lobule bio-imprimé, où la génération d'oxygène est apparente. Crédit :The Zhang Lab - Laboratoire d'ingénierie des systèmes vivants
La première étape consistait à bio-imprimer en 3D les algues. Les chercheurs ont encapsulé C. reinhardtii dans une bioencre composée principalement de cellulose, le principal composant structurel des plantes, algues, et les champignons. La bioencre a été chargée dans une seringue munie d'une aiguille, et la bio-impression par extrusion a été réalisée à l'aide d'une bio-imprimante.
Prochain, les chercheurs ont intégré à la fois les algues bio-imprimées et les cellules dérivées du foie humain dans une matrice d'hydrogel 3-D. Le C. reinhardtii bio-imprimé a libéré de l'oxygène de manière photosynthétique et a amélioré la viabilité et les fonctions des cellules humaines, qui a atteint une densité élevée et produit des protéines spécifiques du foie. « Des densités cellulaires élevées dans les tissus humains vascularisés modifiés étaient difficiles à obtenir auparavant, " dit Zhang.
Finalement, les chercheurs ont utilisé l'enzyme cellulase pour dégrader la bioencre à base de cellulose, puis rempli les microcanaux creux laissés pour compte avec des cellules vasculaires humaines pour créer des réseaux vasculaires dans le tissu semblable au foie. "Le développement d'une bioencre aussi fugitive qui permet l'oxygénation initiale et la formation ultérieure de vaisseaux dans une seule construction tissulaire n'a jamais été rapporté auparavant, " dit Zhang. " C'est une étape critique vers une ingénierie réussie de tissus viables et fonctionnels. "
À la fin, le 3-D vascularisé, les tissus modifiés oxygénés ont un potentiel d'implantation future pour obtenir une régénération tissulaire chez l'homme. Ces tissus pourraient également être utilisés pour le criblage et le développement de médicaments, étudier les mécanismes de la maladie, et éventuellement une médecine personnalisée si des cellules spécifiques au patient sont utilisées.
Une autre application potentielle de la technologie de bio-impression 3D est l'ingénierie alimentaire. Les microalgues représentent une riche source de protéines, les glucides, acides gras polyinsaturés, caroténoïdes, vitamines, et minéraux essentiels. Ces composés bioactifs pourraient être incorporés dans des produits alimentaires cultivés pour améliorer leur valeur nutritionnelle et promouvoir la santé.
Mais en attendant, plus d'efforts sont nécessaires pour optimiser la méthode. Par exemple, les milieux de culture pourraient être améliorés pour faciliter la croissance à la fois de C. reinhardtii et de cellules humaines, et les conditions d'éclairage pourraient être réglées pour optimiser l'apport d'oxygène à partir des algues. De plus, études détaillées sur la biosécurité, toxicité, et l'immuno-compatibilité des algues sera importante pour la traduction clinique à l'avenir. "Cette technologie ne peut pas être immédiatement mise à profit par l'homme, ", dit Zhang. "Il s'agit toujours d'une preuve de concept et sa traduction nécessitera d'importantes études de suivi."
