Des chercheurs américains mettent au point une méthode d’impression 3D de réseaux capillaires sanguins
Des chercheurs de l’Université de Notre-Dame-du-Lac sont parvenus à imprimer en 3D des réseaux de capillaires sanguins grâce à une technique pour le moins surprenante. Avant d’examiner leur méthode, il convient de rappeler l’enjeu médical de tels réseaux. Rien qu’aux États-Unis, plus de 100 000 personnes attendent une greffe, alors que les organes disponibles restent insuffisants. Imprimer en 3D des organes à partir des propres cellules d’un patient pourrait non seulement contribuer à pallier cette pénurie, mais aussi, potentiellement, écarter tout risque de rejet par l’organisme.
C’est pourquoi les chercheurs tentent depuis plusieurs décennies d’imprimer des organes en 3D. L’un des principaux obstacles réside toutefois dans la reproduction de l’échelle et de la complexité des réseaux vasculaires du corps humain, en particulier des capillaires. Un réseau capillaire sanguin forme un maillage constitué des plus petits vaisseaux de l’organisme. Ces conduits microscopiques apportent aux cellules l’oxygène et les nutriments tout en évacuant les déchets ; ils sont donc indispensables à tout modèle de tissu bio-imprimé.
À gauche : des capillaires observés par imagerie en fluorescence, présentés en couverture de Nature Chemical Engineering. À droite : Yanliang Zhang et Yuxuan Liao, ce dernier étant doctorant et auteur principal de l’étude. (Photo : Wes Evard / Notre Dame College of Engineering)
« Imprimer des vaisseaux sanguins qui reproduisent les systèmes vivants naturels est très difficile, car leur taille varie », explique Yanliang Zhang, Advanced Materials and Manufacturing Collegiate Professor au sein du département d’ingénierie aérospatiale et mécanique. « Parvenir à reproduire correctement les plus petits vaisseaux, sans compromettre ni le passage à l’échelle ni l’intégrité structurelle, demeure l’un des plus grands défis auxquels se heurtent les technologies de bio-impression les plus avancées. »
Combiner deux méthodes d’impression 3D
Pour imprimer des réseaux vasculaires comprenant des capillaires de moins de 10 micromètres de diamètre, soit un diamètre inférieur à celui des cheveux humains les plus fins, l’équipe associe deux techniques, chacune étant dédiée à un élément distinct. La matrice, un échafaudage souple à l’aspect de gel qui reproduit les caractéristiques d’un véritable tissu, est d’abord imprimée par extrusion : des biomatériaux sont déposés sous pression, couche après couche. Une fois une section de la matrice imprimée, de fins fils de gélatine y sont déposés par Aerosol Jet Printing (AJP). Ces éléments sont ensuite retirés afin de libérer des canaux dans la matrice. Grâce à un écoulement de gaine, l’AJP assure une focalisation aérodynamique qui autorise un réglage précis de la taille des canaux. La plage obtenue est particulièrement étendue : le diamètre des fils de gélatine peut aller de plusieurs centaines de micromètres à quelques micromètres seulement, reproduisant ainsi l’architecture variée des vaisseaux naturels.
« Nous avons franchi une étape majeure dans le domaine de la bio-impression », ajoute Zhang. « Atteindre une résolution à l’échelle des capillaires en bio-impression constitue une avancée importante vers la conception de tissus entièrement fonctionnels et d’organes complets. »
L’apprentissage automatique au service de paramètres d’impression optimaux
L’équipe a également intégré l’apprentissage automatique afin d’optimiser de manière autonome les paramètres d’impression correspondant à chaque configuration vasculaire souhaitée. Le système mis au point affine le débit de l’encre et celui du gaz de gainage, puis détermine la combinaison de paramètres idéale pour obtenir une taille de canal donnée.
« L’apprentissage automatique est un outil très puissant, qui nous aide à déterminer les paramètres optimaux beaucoup plus rapidement qu’avec la méthode classique par essais et erreurs », souligne Zhang. « L’intégration d’une optimisation autonome a considérablement accru l’efficacité du procédé pour atteindre la qualité et la précision recherchées dans les canaux imprimés. »
En associant cette approche d’impression hybride à l’apprentissage automatique, les chercheurs ont réussi à fabriquer des réseaux vasculaires hiérarchiques en une, deux et trois dimensions. Certains canaux ont ensuite été ensemencés avec des cellules endothéliales. Elles forment l’endothélium, un revêtement fin composé d’une seule couche cellulaire qui tapisse l’intérieur de tous les vaisseaux sanguins, des cavités cardiaques et des vaisseaux lymphatiques. L’ajout de ces cellules endothéliales a conduit à la formation de monocouches cellulaires comparables à celles observées dans les tissus humains vivants.
« Nous sommes très heureux de constater que les cellules vivantes adhèrent rapidement aux parois internes des canaux et s’y étalent, jusqu’à reproduire la fonction de barrière des véritables capillaires humains », indique Zhang. « Il s’agit d’une avancée importante, qui montre que nos réseaux obtenus par impression hybride sont capables d’accueillir des structures tissulaires vivantes sans présenter de fuite. »
La matrice reproduisant le tissu est imprimée par extrusion (à gauche), tandis que le matériau sacrificiel à base de gélatine est déposé par Aerosol Jet Printing (à droite). Une fois l’impression achevée, le système est immergé dans de l’eau chaude : le matériau à base de gélatine se liquéfie, puis est retiré, laissant des canaux précis au sein de la matrice (tout à droite). (Crédits image : Yuxuan Liao et al.)
Quelles applications pour les réseaux de capillaires sanguins imprimés en 3D ?
Intégrées à des modèles tissulaires biomimétiques, ces structures pourraient servir à des applications en médecine régénérative et en ingénierie d’organes, ainsi qu’à des modèles d’organes sur puce (« Organ-on-a-chip ») destinés à évaluer l’innocuité et l’efficacité de médicaments. Par ailleurs, la création de ces modèles à partir de cellules propres à chaque patient pourrait contribuer au développement de la médecine personnalisée : les réponses thérapeutiques pourraient alors être évaluées dans le modèle avant l’administration d’un traitement à plus grande échelle.
À plus long terme, l’objectif ultime de Zhang consiste, selon Notre Dame, à développer une bio-imprimante autonome et intelligente capable de produire des tissus entièrement fonctionnels et des organes tels que le cœur, le rein et le foie. À plus brève échéance, son groupe de recherche et ses partenaires de Harvard ont obtenu un nouveau financement des National Institutes of Health afin de concevoir et de construire une version encore plus performante de la bio-imprimante hybride de Zhang, puis de poursuivre la fabrication d’organes cultivés en laboratoire.
Cette étude a bénéficié du soutien des National Institutes of Health et a récemment fait la couverture de Nature Chemical Engineering.
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*Image de couverture : capillaires. Crédits image : Cleveland Clinic.
