Grâce à des techniques avancées d’impression 3D, Mark Skylar-Scott et son équipe de bio-ingénieurs de Stanford veulent transformer une pâte composée de cellules vivantes en cœurs et autres organes.
Pour un ingénieur, peu d’organes humains sont plus séduisants que le cœur humain. Ses chambres pompent à l’unisson, ses matériaux sont souples mais se contractent à la demande, sa forme et ses mouvements sont parfaitement adaptés pour faire circuler efficacement les fluides dans tout le corps. C’est une merveille structurelle – et pourtant, lorsque quelque chose ne va pas dans cette structure, sa complexité inhérente fait qu’il est très difficile de la réparer. En conséquence, des milliers de jeunes patients atteints de troubles cardiaques innés doivent faire face à leur maladie toute leur vie durant.
“Les cardiopathies pédiatriques sont l’une des formes les plus courantes d’anomalies congénitales aux États-Unis”, explique Mark Skylar-Scott, professeur adjoint de bio-ingénierie dans les écoles d’ingénierie et de médecine. “C’est très difficile pour les familles. Il existe des moyens de prolonger la vie des enfants grâce à la chirurgie, mais de nombreux enfants souffrent de restrictions d’activité et vivent une vie pleine d’incertitudes. Pour avoir une solution réellement curative, il faudra d’une manière ou d’une autre remplacer les tissus endommagés ou malformés.”
Les scientifiques de Stanford travaillent à la fabrication de tissus humains à l’échelle thérapeutique, en mettant l’accent sur le cœur. Crédit : Kurt Hickman
C’est là que Skylar-Scott entre en scène. Il travaille sur de nouvelles façons d’aborder les maladies cardiaques congénitales en fabriquant des tissus cardiaques en laboratoire.
Il faut bien plus qu’une simple culture de cellules dans un plat, note-t-il. La plupart des techniques existantes ensemencent des cellules cardiaques ou des cellules souches sur un “échafaudage” temporaire : une substance poreuse et spongieuse qui peut les maintenir en place en trois dimensions. Bien que cette méthode permette aux chercheurs de cultiver des tissus de laboratoire, elle n’est vraiment pratique que pour des couches de cellules extrêmement fines.
“Si vous disposez d’un échafaudage de quelques cellules seulement, vous pouvez placer les cellules au bon endroit. Mais si vous essayez de faire pousser quelque chose d’un centimètre d’épaisseur, il devient vraiment difficile d’ensemencer les cellules aux bons endroits pour faire pousser le tissu. Il devient alors très difficile de les maintenir en vie, de leur fournir les bons nutriments ou de les alimenter en vaisseaux”, explique Skylar-Scott. Les organes humains ne sont pas non plus des boules monolithiques de cellules, ajoute-t-il. Chacun est constitué de couches complexes de plusieurs types de cellules, ce qui donne une structure en 3D incroyablement difficile à reproduire.
Impression d’organoïdes
Pour contourner ce problème, Skylar-Scott et son équipe travaillent sur un nouvel angle audacieux pour la croissance des organes. Grâce à des techniques d’impression 3D avancées, ils fabriquent des tissus épais, couche par couche, en plaçant le type exact de cellules nécessaires aux bons endroits, comme une tour s’élevant à partir d’une grille de briques soigneusement placées. Ce type de méthode de construction, note-t-il, fonctionne bien pour reproduire des tissus complexes comme le cœur, où la forme en 3D est très importante pour sa fonction.
Aussi prometteuse qu’elle puisse être, l’impression 3D avec des cellules s’accompagne de défis profonds et épineux. Contrairement au filament de plastique, que les imprimantes 3D grand public peuvent chauffer et presser pour lui donner des formes innombrables, les cellules sont des matériaux qui ne peuvent être utilisés qu’en cas de besoin. vivantes. Elles sont douces, molles, imparfaites et d’une fragilité frustrante, explique Skylar-Scott.
L’imprimante biologique 3D imprime un échantillon. Crédit : Andrew Brodhead
” Si vous essayez de placer une seule cellule à la fois, l’impression d’un foie ou d’un cœur pourrait prendre des centaines ou des milliers d’années. Même si l’on produit 1 000 cellules par seconde, il faut encore déposer plusieurs milliards de cellules pour obtenir un organe. Si l’on fait le calcul, cela n’est pas très bon pour un processus évolutif”, ajoute-t-il.
Au lieu de cela, Skylar-Scott et son laboratoire travaillent à accélérer le processus d’impression en déposant des amas denses de cellules appelés “organoïdes”. Le groupe crée ces amas en mettant des cellules souches génétiquement modifiées dans une centrifugeuse, ce qui génère une substance pâteuse. Grâce à cette concoction, ils sont en mesure d’imprimer simultanément un grand nombre de cellules dans une structure gélatineuse en 3D. “Nous définissons essentiellement la structure à grande échelle d’un organe en imprimant ces organoïdes”, explique-t-il.
Programmation cellulaire
La mise en place des cellules souches n’est cependant que la première étape. Une fois qu’elles sont imprimées, les chercheurs doivent les convaincre de se différencier en des types de cellules plus spécifiques, formant ainsi un ensemble multicouche de groupes de cellules fonctionnelles qui ressemblent au tissu d’un organe sain. Pour y parvenir, Skylar-Scott fait baigner les cellules souches dans un cocktail chimique.
“Chaque lignée de cellules souches que nous développons est génétiquementconçues pour répondre à un médicament spécifique”, note-t-il. “Une fois qu’elles sentent ce médicament, elles se différencient en types de cellules spécifiques”. Certaines cellules sont programmées pour devenir des cardiomyocytes, les cellules cardiaques qui forment le tissu fonctionnel central du cœur. D’autres reçoivent l’ordre de devenir des cellules stromales, qui relient les tissus entre eux.
Skylar-Scott teste ses tissus imprimés dans un bioréacteur, un récipient de la taille d’un smartphone qui permet de maintenir les cellules imprimées en vie. À l’intérieur de ce bioréacteur, son équipe a réussi à faire pousser une structure semblable à un organe imprimé : un tube d’environ 5 cm de long et d’un demi-centimètre de diamètre. Comme une veine à l’intérieur du corps humain, ce minuscule dispositif pourrait “pomper” tout seul, en se contractant et en se dilatant pour faire circuler le fluide à travers lui.
“Si nous parvenons à développer d’autres tissus de ce type, nous pourrions être à mi-chemin de la construction d’un dispositif pouvant être implanté dans le corps humain”, déclare Skylar-Scott. “Pour les patients nés avec un ventricule unique, par exemple, il n’y a qu’une seule chambre dans le cœur qui peut pousser le sang dans le corps et les poumons – ce qui met beaucoup de pression sur le système cardiovasculaire et provoque une pression artérielle élevée qui peut créer des dommages aux organes. Quelque chose comme cela pourrait agir comme un dispositif de pompage biologique pour aider le sang à aller et venir du cœur”, dit-il.
Mise à l’échelle
Skylar-Scott s’empresse de noter que l’impression d’une structure plus grande, comme une chambre fonctionnelle à greffer sur un cœur existant, est encore loin. Pour cela, il faudrait faire pousser quelque chose de plus de 16 fois la taille de la “pompe à veine” expérimentale de son laboratoire. Pour produire quelque chose d’aussi grand – ou mieux encore, un tout nouvel organe – son laboratoire devrait augmenter considérablement la production de cellules.
“La mise à l’échelle sera le défi de notre génération”, déclare Skylar-Scott. Mais il ne s’agira pas seulement de construire une plus grande imprimante. A bien des égards, cela se résume aux cellules elles-mêmes.
“Actuellement, il faut un mois pour cultiver suffisamment de cellules pour imprimer quelque chose de minuscule. C’est également extrêmement coûteux – chaque essai représente des dizaines de milliers de dollars”, explique-t-il. “Nous devons trouver des moyens d’améliorer les cellules pour les rendre plus robustes et moins chères à cultiver, afin de pouvoir commencer à pratiquer et à perfectionner cette méthode. Une fois que le pipeline de nouvelles cellules sera en place, je pense que nous allons commencer à voir des progrès incroyables.”
