Des bio-ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé une technique de bio-impression 3D qui fonctionne avec des matériaux naturels et est facile à utiliser, permettant aux chercheurs de différents niveaux d'expertise technique de produire des modèles de tissus d'organes réalistes.

Comme preuve de concept, l'équipe de l'UC San Diego a utilisé sa méthode pour créer des réseaux de vaisseaux sanguins capables de maintenir en vie une tumeur cancéreuse du sein à l'extérieur du corps. Ils ont également créé un modèle d'intestin humain vascularisé. L'ouvrage a été publié récemment dans Matériaux de santé avancés .

Le but n'est pas de fabriquer des organes artificiels pouvant être implantés dans le corps, les chercheurs ont dit, mais pour créer des modèles d'organes humains faciles à cultiver qui peuvent être étudiés en dehors du corps ou utilisés pour le criblage de médicaments pharmaceutiques.

« Nous voulons permettre aux scientifiques de tous les jours, qui n'ont peut-être pas la spécialisation requise pour d'autres techniques d'impression 3D, de créer des modèles 3D de tous les tissus humains qu'ils étudient, " a déclaré le premier auteur Michael Hu, un doctorat en bio-ingénierie. étudiant à la UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Les modèles seraient plus avancés que les cultures cellulaires standard 2D ou 3D, et plus pertinent pour les humains lorsqu'il s'agit de tester de nouveaux médicaments, ce qui se fait actuellement sur des modèles animaux."

"Vous n'avez besoin de rien de compliqué pour l'adopter dans votre laboratoire, " dit Prashant Mali, professeur de bio-ingénierie à l'UC San Diego Jacobs School of Engineering, auteur principal de l'étude. « Notre espoir est que plusieurs laboratoires pourront travailler avec cela et expérimenter cela. Plus il sera adopté, plus cela pourrait avoir d'impact."

La méthode est simple. Pour créer un réseau de vaisseaux sanguins vivants, par exemple, les chercheurs conçoivent d'abord numériquement un échafaudage à l'aide d'Autodesk. À l'aide d'une imprimante 3D commerciale, les chercheurs impriment l'échafaudage à partir d'un matériau soluble dans l'eau appelé alcool polyvinylique. Ils versent ensuite une épaisse couche de matériaux naturels sur l'échafaudage, laissez-le guérir et se solidifier, puis rincer le matériau d'échafaudage à l'intérieur pour créer des canaux de vaisseaux sanguins creux. Prochain, ils recouvrent l'intérieur des canaux de cellules endothéliales, qui sont les cellules qui tapissent l'intérieur des vaisseaux sanguins. La dernière étape consiste à faire circuler le milieu de culture cellulaire à travers les vaisseaux pour maintenir les cellules en vie et en croissance.

Les vaisseaux sont constitués de matériaux naturels présents dans le corps tels que le fibrinogène, un composé trouvé dans les caillots sanguins, et Matrigel, une forme disponible dans le commerce de matrice extracellulaire de mammifère réelle.

Trouver les bons matériaux a été l'un des plus grands défis, ledit étudiant de premier cycle en bio-ingénierie Xin Yi (Linda) Lei, un co-auteur de l'étude. « Nous voulions utiliser des matériaux naturels plutôt que synthétiques, afin que nous puissions faire quelque chose d'aussi proche que possible de ce qu'il y a dans le corps. Ils devaient également être capables de travailler avec notre méthode d'impression 3D."

« Nous pouvons utiliser ces matériaux d'origine biologique de tous les jours pour fabriquer ex vivo tissus vascularisés, ", a déclaré Mali. "Et c'est un aspect important si nous voulons fabriquer des tissus qui peuvent être maintenus pendant de très longues périodes en dehors du corps."

Rester en vie

Dans une série d'expériences, les chercheurs ont utilisé les vaisseaux sanguins imprimés pour maintenir les tissus tumoraux du cancer du sein vivants à l'extérieur du corps. Ils ont extrait des morceaux de tumeurs de souris, puis en ont intégré certains dans les réseaux de vaisseaux sanguins imprimés. D'autres morceaux ont été conservés dans une culture cellulaire 3-D standard. Au bout de trois semaines, les tissus tumoraux encapsulés dans les empreintes des vaisseaux sanguins étaient restés vivants. Pendant ce temps, ceux de la culture cellulaire 3-D standard étaient pour la plupart morts.

« Notre espoir est de pouvoir appliquer notre système pour créer des modèles de tumeurs pouvant être utilisés pour tester des médicaments anticancéreux à l'extérieur du corps, " dit Hu, qui s'intéresse particulièrement à l'étude des modèles de tumeurs du cancer du sein. « Le cancer du sein est l'un des cancers les plus courants. Il y consacre l'une des plus grandes parties de la recherche et l'un des plus grands groupes de produits pharmaceutiques en cours de développement. Ainsi, tous les modèles que nous pouvons créer seraient utiles à plus de personnes. »

Dans une autre série d'expériences, les chercheurs ont créé un modèle d'intestin vascularisé. La structure se composait de deux canaux. L'un était un tube droit tapissé de cellules épithéliales intestinales pour imiter l'intestin. L'autre était un canal vasculaire (garni de cellules endothéliales) qui tournait en spirale autour du canal intestinal. L'objectif était de recréer un intestin entouré d'un réseau de vaisseaux sanguins. Chaque canal a ensuite été alimenté avec des supports optimisés pour ses cellules. Dans deux semaines, les canaux ont commencé à prendre des morphologies plus réalistes. Par exemple, le canal intestinal avait commencé à germer des villosités, qui sont les minuscules projections en forme de doigt tapissant l'intérieur de la paroi intestinale.

« Avec ce type de stratégie, on peut commencer à faire des complexes, systèmes de longue durée dans un ex vivo réglage. À l'avenir, cela pourrait peut-être supplanter l'utilisation d'animaux pour fabriquer ces systèmes, c'est ce qui se fait en ce moment, ", a déclaré Mali.

"C'était une preuve de concept montrant que nous pouvons cultiver différents types de cellules ensemble, ce qui est important si nous voulons modéliser les interactions multi-organes dans le corps. En une seule impression, nous pouvons créer deux environnements locaux distincts, chacun gardant un type différent de cellule en vie, et placés assez près les uns des autres pour qu'ils puissent interagir, " dit Hu.

Avancer, l'équipe travaille à étendre et à affiner cette technique. Les travaux futurs se concentreront sur l'optimisation des vaisseaux sanguins imprimés et le développement de modèles de tumeurs vascularisées qui imitent plus fidèlement ceux du corps.