Bio-impression sous pression : des modèles pulmonaires imprimés en 3D pour étudier l’effet des environnements extrêmes

Lorsque les pilotes et les astronautes prennent leur envol, leur corps est soumis à des conditions bien plus extrêmes que celles rencontrées sur Terre. Afin de mieux comprendre comment les êtres humains réagissent dans ces conditions intenses, des chercheurs de l’université Texas A&M, soutenus par le Bureau de recherche scientifique de l’armée de l’air américaine, se tournent vers la bio-impression à partir de cellules pulmonaires vivantes. Leur objectif est double : améliorer la sécurité dans l’aviation et les vols spatiaux, et accélérer l’étude et le traitement des maladies respiratoires.

Dans le domaine de l’aviation, les températures peuvent être élevées, les pressions écrasantes et les niveaux d’oxygène réduits, ce qui peut avoir des effets néfastes sur l’organisme. Des changements rapides d’altitude ou de pression, par exemple, peuvent entraîner une accumulation dangereuse de liquide dans les poumons, tandis que des températures élevées peuvent provoquer des accidents vasculaires cérébraux, des lésions tissulaires ou même une défaillance organique. Les cultures cellulaires 2D traditionnelles ne permettent pas de démontrer ce qui se passe dans des environnements aussi complexes. Les modèles cellulaires 3D, en revanche, offrent une représentation plus réaliste du comportement des cellules humaines sous stress, ouvrant la voie à des tests plus précis.

Les pilotes peuvent être confrontés à des conditions physiques intenses pendant le vol. (crédits photo : Sergent-chef Thomas Meneguin/Air Force)

Recréer des conditions extrêmes

Afin de modéliser avec précision la manière dont les cellules pulmonaires réagissent à des environnements hostiles, l’équipe de Texas A&M avait besoin de paramètres de bio-impression hautement contrôlés pour garantir la viabilité des cellules. « Même de petits ajustements dans le processus de bio-impression peuvent avoir un impact considérable sur la viabilité et la prolifération des cellules », explique le Dr Hongmin Qin, professeur à la Faculté des arts et des sciences. « En affinant ces paramètres, nous posons les bases de futures avancées dans le domaine de l’ingénierie tissulaire. »

Les chercheurs ont simulé des conditions extrêmes à travers une série d’expériences ciblées. Dans le cadre d’une étude publiée dans Biomimetics, l’équipe a fait varier la pression d’extrusion pendant l’impression. Elle a constaté que des pressions plus élevées entraînaient une plus grande mortalité cellulaire. Dans une autre étude, publiée dans Bioengineering, elle a exposé les échantillons imprimés en 3D à différentes températures pouvant atteindre 55 °C. Elle a observé qu’une chaleur plus élevée augmentait le stress oxydatif et réduisait la survie des cellules. « Les résultats obtenus en matière de pression et de température soulignent la nécessité de disposer de techniques précises pour préserver la viabilité des cellules pulmonaires dans les échantillons bio-imprimés en 3D, et démontrent comment les cellules réagissent aux facteurs de stress environnementaux », a noté Qin.

L’équipe a également créé une formulation optimisée de bio-encre : un mélange de collagène et d’alginate dans un rapport de 4:1 qui a maintenu une viabilité cellulaire impressionnante de 85 % pendant six jours, offrant ainsi une base prometteuse pour les recherches futures.

Applications du modèle pulmonaire imprimé en 3D au-delà de l’aérospatiale

En plus de répondre aux priorités en matière de défense nationale, ce projet offre de nombreuses possibilités pour la recherche médicale. En produisant des cultures de cellules pulmonaires imprimées en 3D et réalistes, l’équipe a créé une plateforme permettant d’étudier les maladies respiratoires telles que la bronchopneumopathie chronique obstructive et d’accélérer les efforts de criblage des médicaments. À l’avenir, le groupe envisage d’utiliser la même approche pour produire des tissus bio-conçus à la demande.

Aperçu de la conception expérimentale démontrant les effets de la pression d’extrusion. (crédits image : Taieba Tuba Rahman et al).

Ces travaux vont de pair avec les avancées réalisées ailleurs. Plus tôt cette année, des chercheurs de l’Université McMaster, en Ontario, ont mis au point une bio-encre qui reproduit l’élasticité et l’extensibilité du tissu pulmonaire, ce qui la rend particulièrement adaptée à la modélisation de maladies telles que la BPCO et la fibrose pulmonaire, ainsi qu’aux tests de toxicité et de réponse aux médicaments. Cette année également, la division Science et technologie du département américain de la Sécurité intérieure, en collaboration avec le Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, a utilisé du tissu pulmonaire imprimé en 3D pour analyser les effets des fumées toxiques sur la santé humaine. Ensemble, ces projets soulignent que les modèles 3D biomimétiques deviennent des plateformes pratiques pour le diagnostic, la toxicologie et le développement thérapeutique. Pour en savoir plus, lisez l’article de Texas A&M ICI.

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*Crédits photo de couverture : Deposit Photos