Des chercheurs révolutionnent la bio-impression 3D en créant des composants fonctionnels du cœur humain

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Aug 01, 2019, 14:15 ET

PITTSBURGH, 1er août 2019 /PRNewswire/ -- Une équipe de chercheurs de l'Université Carnegie-Mellon a publié dans Science un article décrivant une nouvelle technique qui permet à n'importe qui de bio-imprimer en 3D des échafaudages de collagène, la protéine structurale majeure du corps humain. Grâce à cette méthode inédite, le domaine du génie tissulaire fait un pas de plus vers la capacité d'imprimer un cœur humain adulte pleine grandeur en 3D.

La technique, appelée FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels), a permis aux chercheurs de surmonter les nombreux défis liés aux méthodes de bio-impression 3D existantes, et d'obtenir une résolution et une fidélité inégalées en utilisant des matériaux mous et vivants.

Chaque organe du corps humain, tel que le cœur, est constitué de cellules spécialisées qui sont maintenues ensemble par un échafaudage biologique appelé matrice extracellulaire (MEC). Ce réseau de protéines MEC fournit la structure et les signaux biochimiques dont les cellules ont besoin pour fonctionner normalement. Mais jusqu'à présent, il n'a pas été possible de reconstruire cette architecture MEC complexe en utilisant des méthodes de biofabrication traditionnelles.

« Nous savions que nous pouvions imprimer des morceaux de cœur à partir de cellules et de collagène pour produire des pièces qui fonctionnement réellement, comme une valvule cardiaque ou un petit ventricule battant », a déclaré Adam Feinberg, professeur de génie biomédical (GBM) et de science et de génie des matériaux à Carnegie Mellon, dont le laboratoire a effectué ces travaux. « En utilisant les données IRM d'un cœur humain, nous avons pu reproduire avec précision la structure anatomique spécifique au patient et bio-imprimer du collagène et des cellules du cœur humain en 3D. »

Plus de 4000 patients sont sur la liste d'attente pour une greffe cardiaque aux États-Unis, tandis que des millions d'autres patients ont besoin d'un cœur ailleurs dans le monde mais ne sont pas admissibles sur la liste d'attente. Le besoin qui existe pour des organes de remplacement est immense, et de nouvelles approches sont requises pour concevoir des organes artificiels capables de réparer, compléter ou remplacer la fonction d'un organe à long terme. Le professeur Feinberg, qui est membre de la Bioengineered Organs Initiative de Carnegie Mellon, œuvre pour relever ces défis avec une nouvelle génération d'organes produits par bio-ingénierie qui reproduisent plus étroitement les structures naturelles des organes.

« Le collagène est un biomatériau extrêmement désirable pour l'impression en 3D car il constitue littéralement chaque tissu dans votre corps », explique Andrew Hudson, un étudiant en doctorat de génie biomédical au laboratoire du professeur Feinberg et premier auteur conjoint de l'article. « Ce qui rend son impression en 3D si difficile, cependant, est qu'il commence sous forme de liquide —par conséquent, lorsqu'on essaie de l'imprimer dans l'air, il forme simplement une flaque sur la plateforme de production. Nous avons donc développé une technique qui évite qu'il ne se déforme. »

La méthode de bio-impression 3D FRESH développée dans le laboratoire du professeur Feinberg permet de déposer le collagène couche par couche dans un bain de support de gel, ce qui permet au collagène de se solidifier sur place avant qu'il ne soit extrait du bain de support. Grâce à FRESH, le gel de support peut être facilement fondu en le réchauffant de la température ambiante à la température corporelle lorsque l'impression est complétée. De cette façon, les chercheurs peuvent extraire le gel de support sans endommager la structure imprimée composée de collagène ou de cellules.

Cette méthode est vraiment passionnante pour le domaine de la bio-impression 3D car elle permet d'imprimer des échafaudages de collagène à la grande échelle des organes humains. Et elle n'est pas limitée au collagène car une large gamme d'autres gels mous, y compris la fibrine, l'alginate, et l'acide hyaluronique peuvent être bio-imprimés 3D en utilisant la technique FRESH, ce qui donne une plateforme de génie tissulaire robuste et adaptable. Plus important encore, les chercheurs ont également développé des conceptions open-source permettant à presque tout le monde, des laboratoires médicaux aux classes de science du lycée, de construire et d'accéder à des bio-imprimantes 3D haute performance et à faible coût.

À l'avenir, FRESH a des applications dans de nombreux aspects de la médecine régénératrice, de la réparation des plaies à la bio-ingénierie des organes, mais ce n'est qu'une seule pièce du domaine en pleine croissance de la biofabrication. « On parle ici vraiment de convergence de technologies », précise le professeur Feinberg. « Pas seulement ce que fait mon laboratoire en termes de bio-impression, mais aussi d'autres laboratoires et de petites entreprises dans les domaines de la science des cellules souches, de l'apprentissage machine et de la simulation informatique, ainsi que des nouveaux logiciels et matériels de bio-impression 3D. »

« Il est important de souligner que de nombreuses années de recherche restent nécessaires », explique le professeur Feinberg, « mais le fait que nous faisons des progrès réels en termes de création de tissus et d'organes humains fonctionnels est très excitant et cet article est un pas dans cette direction. »

Les autres collaborateurs de l'article sont le premier auteur conjoint Andrew Lee, un étudiant en doctorat de GBM au laboratoire du professeur Feinberg ; le chercheur postdoctoral en GBM Dan Shiwarski ; les étudiants en doctorat de GBM Joshua Tashman, TJ Hinton, Sai Yerneni, et Jacqueline Bliley ; et le professeur-chercheur en GBM Phil Campbell.

À propos du College of Engineering : Le College of Engineering de l'Université Carnegie Mellon est un collège d'ingénierie de haut niveau qui est reconnu pour mettre intentionnellement l'accent sur la collaboration interdisciplinaire en recherche. Le collège est bien connu pour son travail sur des problèmes d'importance à la fois scientifique et pratique. La culture de « faiseur » du collège est enracinée dans tout ce qu'il entreprend, ce qui mène à de nouvelles approches et à des résultats transformateurs. Les facultés renommées du collège mettent l'accent sur la gestion de l'innovation et l'ingénierie pour obtenir des résultats transformateurs qui stimuleront la vitalité intellectuelle et économique de notre communauté, de notre nation et du monde.

À propos de l'Université Carnegie-Mellon : Carnegie Mellon (www.cmu.edu) est une université privée de renommée internationale qui offre des programmes dans des domaines allant des sciences, de la technologie et des affaires aux politiques publiques, aux sciences humaines et aux arts. Plus de 13 000 étudiants des sept facultés et collèges de l'université bénéficient d'un petit nombre d'étudiants par enseignant et d'une éducation caractérisée par l'accent mis sur la création et la mise en œuvre de solutions aux problèmes concrets du monde, la collaboration interdisciplinaire et l'innovation.

À propos de FluidForm : L'Université Carnegie-Mellon a octroyé la technologie FRESH sous licence à FluidForm, Inc., une société basée à Pittsburgh et à Boston. FluidForm a pour mission de promouvoir les applications de la technologie en biofabrication, médecine régénératrice et autres industries. Le gel de support de bio-impression LifeSupport™ est utilisé par des chercheurs à l'échelle mondiale et améliore de manière significative leur capacité à imprimer des cellules et des biomatériaux mous-déformables produisant des structures complexes avec une grande fidélité.