Des chercheurs financés par l’UE élargissent les possibilités de l’impression 3D pour créer des organes humains miniatures et une variété de produits fabriqués à partir de tissus vivants, y compris des aliments.
Par Tereza Pultarova
L’impression 3D a beaucoup évolué depuis ses débuts dans les années 1980 et est considérée comme un outil essentiel dans de nombreux processus de fabrication. Aujourd’hui, des chercheurs comme le bio-ingénieur italien Dr Riccardo Levato, orientent cette technique vers une nouvelle direction passionnante.
Et si, en plus des pièces automobiles et des meubles design, on pouvait imprimer des organes humains ou régénérer des tissus humains par bio-impression de cellules vivantes ?
Levato, professeur associé de biofabrication et de médecine régénérative au Centre médical universitaire d’Utrecht et à l’Université d’Utrecht, aux Pays-Bas, dirige une équipe de chercheurs de Belgique, d’Italie, des Pays-Bas, de Suède et de Suisse qui ont reçu un financement de l’UE pour faire exactement cela.
Dans le cadre d’une initiative de recherche appelée ÉCLAIRER qui se déroule de 2021 à 2025, ils développent un pancréas miniature imprimé en 3D à partir de cellules humaines.
Ils espèrent que cela pourrait améliorer la fiabilité et la précision des tests de nouvelles thérapies pour traiter le diabète et, peut-être, même un jour conduire à la possibilité de cultiver des organes en laboratoire pour des transplantations humaines.
Plan d’aménagement vivant
Les cellules souches sont l’un des principaux matériaux de travail de cette recherche. Il s’agit de cellules qui ont la capacité de se développer en différents types de tissus humains – cellules musculaires, cellules sanguines, cellules cérébrales – en fonction des signaux qu’elles reçoivent.
Les premières expériences visant à aider les patients diabétiques ont été réalisées avec des cellules productrices d’insuline cultivées en laboratoire à partir de cellules souches. La simple transplantation de ces cellules dans un pancréas malade n’apporte cependant qu’un soulagement à court terme. Selon Levato, cela est dû au manque de soutien adéquat des cellules.
« Quand on injecte ces cellules sans structure, sans vascularisation, sans matériel protecteur autour d’elles, elles meurent avec le temps », a-t-il expliqué. « La procédure ne dure que quelques années et il faut ensuite la répéter. »
Levato et l’équipe ENLIGHT tentent de résoudre ce problème en imprimant en 3D des tissus humains, des cellules vivantes, pour former des implants tridimensionnels complets avec des vaisseaux. C’est un défi car les cellules vivantes sont fragiles et ne survivront pas à un processus d’impression 3D normal.
Les chercheurs ont résolu ce problème en utilisant des gels riches en eau, appelés bio-encres, qui transportent et nourrissent les cellules pendant le processus d’impression. Ils doivent ensuite être capables de guider le processus de différenciation cellulaire pour que l’organe se développe conformément à son « plan génétique ». Pour ce faire, ils utilisent la lumière.
Toucher léger
Les chercheurs d’ENLIGHT ont développé une nouvelle technique d’impression 3D qui utilise la lumière pour façonner la bioencre contenant des cellules, au lieu de la presser à travers une buse comme dans une imprimante 3D conventionnelle, ce qui endommagerait les cellules.
« Nous créons essentiellement une sorte d’hologramme lumineux de l’objet que nous voulons imprimer au milieu de ce support », a déclaré Levato.
« Là où il y a cette structure lumineuse 3D, le milieu devient solide et partout ailleurs il reste liquide, donc on peut simplement le laver. Les cellules sont piégées dans une forme semblable à de la gélatine, qui est similaire à la matrice extracellulaire d’un tissu vivant. »
Les chercheurs incitent ensuite les cellules à mûrir et à produire de l’insuline en les exposant à une lumière de longueurs d’onde spécifiques.
L’équipe teste actuellement ses implants en laboratoire et les chercheurs espèrent que ces organoïdes imprimés en 3D pourront faire partie des procédures standard de développement de médicaments avant la fin de la décennie.
Levato a toutefois averti qu’il faudrait un peu plus de temps pour rendre les organoïdes bio-imprimés aptes à la transplantation chez les patients humains.
Sans cruauté
L’un des avantages des travaux de l’équipe ENLIGHT est qu’ils pourraient réduire considérablement le recours aux tests sur les animaux. La possibilité d’imprimer des organoïdes humains réalistes permettrait non seulement d’améliorer la précision des tests de médicaments, mais aussi d’éviter la souffrance de millions d’animaux de laboratoire.
Le Dr Massimo Vassalli, professeur de bio-ingénierie à l’Université de Glasgow au Royaume-Uni, oriente le concept d’impression 3D de tissus vivants dans une direction légèrement différente, mais qui pourrait également potentiellement soulager la souffrance animale.
Il dirige une initiative de recherche financée par l’UE dans plusieurs pays, appelée PRISME-LT qui vise à développer une impression 3D rentable de divers tissus vivants. Leurs travaux, qui se poursuivront jusqu’en 2027, pourraient avoir des applications pertinentes à la fois dans la biomédecine et dans la production alimentaire.
« L’objectif du projet est de créer une plate-forme technologique pour répondre à la fabrication d’une gamme variée de tissus vivants destinés à être utilisés dans les secteurs de la santé et de l’alimentation », a déclaré Vassalli. « En fait, au-delà des utilisations médicales les plus évidentes, nous voyons un rôle important pour la bio-impression 3D dans la production alimentaire durable et propre », a-t-il déclaré.
Le défi, selon Vassalli, est de créer des tissus hétérogènes complexes qui reproduisent fidèlement la texture des matières vivantes. Par exemple, la viande contient des cellules musculaires et des cellules adipeuses, mais aussi des cellules qui forment les tissus conjonctifs.
Pour créer une viande qui ressemble à de la vraie viande, les chercheurs doivent trouver des moyens d’ordonner aux cellules souches de produire exactement le type de tissu requis dans une structure prédéfinie – puis de maintenir le processus au fil du temps.
Affiner la différenciation
Les chercheurs explorent une approche qui imite les processus symbiotiques dans la nature. Ils mélangent des bactéries ou des levures – que Vassalli appelle cellules ouvrières ou auxiliaires – avec les cellules souches dans une bio-encre d’impression 3D pour guider le processus de différenciation.
« Ces cellules sont soit des bactéries, soit des levures qui peuvent détecter la direction dans laquelle vont les cellules et commencer à produire des substances chimiques pour les aider à se différencier davantage », a-t-il déclaré.
L’équipe espère pouvoir créer des cubes de tissus à l’échelle centimétrique d’ici la fin du projet, en se concentrant d’abord sur la moelle osseuse imprimée en 3D pour des applications médicales et sur un échantillon de viande cultivée marbrée.
« La technologie de bio-impression offre une plus grande flexibilité dans la conception de la composition finale du tissu. Elle répond aux besoins des applications de soins de santé personnalisés », a déclaré Vassalli.
« La production de nourriture prendra plus de temps car la mise à l’échelle de la technologie nécessitera beaucoup d’énergie. Une imprimante 3D que nous utilisons dans un laboratoire ne serait pas adaptée pour produire de la viande pour une population. Il y a un fossé technologique qu’il faut combler. »
Les recherches présentées dans cet article ont été financées par le Conseil européen de l’innovation (EIC). Les opinions des personnes interrogées ne reflètent pas nécessairement celles de la Commission européenne.
Plus d’infos
Cet article a été initialement publié dans Horizon le magazine de la recherche et de l’innovation de l’UE.
