Des nez imprimés par la bio-imprimante

La bioimpression, l'impression 3D avec des matériaux cellulaires, est en passe de devenir la prochaine grande chose dans la médecine personnalisée. Dans le laboratoire de la Groupe technologie et régénération du cartilage au Département des sciences et technologies de la santé présente à Matti Kesti l'état de ses recherches : dans un bac rempli d'une solution nutritive se trouvent un cartilage d'un nez et d'une oreille miniature de couleur blanche. Le doctorant a fabriqué les deux à partir d'un mélange de biopolymères et de cellules cartilagineuses vivantes avec la Bioprinter du laboratoire - une imprimante 3D pour matériaux biologiques. Cette imprimante hors du commun est aussi grande qu'une chapelle de laboratoire et ressemble aussi, à première vue, à une sorbonne protégée dans un laboratoire. Le c?ur de l'installation est une roue avec huit seringues qui peuvent toutes être remplies d'une suspension différente. Gr?ce à un ordinateur situé à l'extérieur de l'imprimante verrouillable, les pistons des seringues sont commandés à partir des données numériques d'un modèle tridimensionnel. La suspension est alors expulsée de la buse avec une précision extrême et une structure quelconque est construite par stratification sur une plate-forme située en dessous, qui va et vient rapidement - par exemple un morceau de cartilage articulaire ou un cartilage nasal. Pour ce dernier, l'imprimante bio a besoin de 16 minutes.

Kesti esquisse comment ce procédé pourrait révolutionner la chirurgie reconstructive à l'avenir : Lors d'un grave accident de voiture, le nez d'un passager est écrasé. Il est reconstruit sur ordinateur sous forme de modèle 3D. Parallèlement, des cellules cartilagineuses autologues sont prélevées sur le patient lors d'une biopsie, par exemple au niveau du genou, des doigts, des oreilles ou des éclats du nez fracassé. Les cellules sont multipliées en laboratoire et mélangées à un biopolymère. ? partir de cette suspension semblable à du dentifrice, une greffe de cartilage nasal est réalisée à l'aide d'une bio-imprimante, puis implantée chirurgicalement chez le patient. Le biopolymère sert uniquement à la mise en forme ; il sera plus tard décomposé par les propres cellules cartilagineuses du corps. Après quelques mois, le greffon ne se distingue plus du cartilage nasal autologue. Ce procédé présente des avantages importants par rapport aux implants classiques, par exemple en silicone : Le risque de réactions de rejet par le corps est beaucoup plus faible. Et c'est particulièrement décisif pour les jeunes patients : l'implant cellulaire grandit avec le patient, car il est commandé par le moteur de croissance du patient, tout comme d'autres parties du corps.

Des exigences élevées pour l'encre biologique

Le fait que l'impression cellulaire fasse son entrée en médecine à ce moment précis a ses raisons : "L'imprimante 3D existe depuis près de 20 ans. Si on vient seulement de la découvrir à des fins chirurgicales, c'est surtout à cause du manque d'encres biologiques", explique Marcy Zenobi-Wong, professeure et directrice du projet de recherche de Kesti. Il n'existe pas à ce jour de cartouches d'impression cellulaires commerciales, car la transplantation impose des exigences extrêmement élevées au matériau. Chaque substance qui doit être utilisée en clinique est soumise à des directives internationales et nationales strictes et doit être testée pendant des années avant d'être utilisée à l'h?pital - et cela co?te souvent des millions. C'est pourquoi Zenobi-Wong et son groupe de recherche misent sur des biopolymères qui sont déjà connus dans le quotidien des h?pitaux. Par exemple les acides alginiques. Ce sont des polymères extraits d'algues marines qui sont bien tolérés par le corps. Ou le sulfate de chondro?tine, une macromolécule produite par l'organisme et responsable de la résistance du tissu cartilagineux.

Pour la bio-impression, de tels biopolymères sont mélangés à des cellules humaines ou, à des fins de laboratoire, à des cellules animales, et préparés pour former ce qu'on appelle un hydrogel contenant jusqu'à 90% d'eau. Les propriétés d'écoulement de cette encre biologique doivent être précises pour que le gel n'obstrue pas les canules des seringues. En même temps, il doit être suffisamment visqueux pour pouvoir maintenir la structure du corps à construire. En effet, si le gel était trop liquide, les couches se dissoudraient sous la pression. A cela s'ajoutent les propriétés de gélification : Pour que le gel devienne une structure solide utilisable par les médecins, la forme doit être fixée. Cela se fait par une polymérisation de l'hydrogel, initiée par la lumière, la température, une modification du pH ou l'ajout d'ions. "Notre marge de man?uvre est très étroite", explique Zenobi-Wong. "Car nous devons toujours veiller à ce que les cellules ne soient pas endommagées pendant le processus d'impression". Une grande partie de ses recherches est donc consacrée à la recherche de biopolymères adaptés et de formes de polymérisation qui préservent les cellules.

La troisième dimension comme guide

L'une des premières applications des greffes de cartilage imprimées pourrait être les blessures aux articulations du genou et de la cheville. Aujourd'hui déjà, des greffes de cartilage sont réalisées chez des patients jeunes après des blessures sportives. Pour ce faire, des cellules cartilagineuses autologues sont cultivées en laboratoire sur des bandes d'hydrogel, à partir desquelles un morceau adapté est cousu dans la zone blessée. C'est bien, mais ce n'est pas idéal : en effet, lors de la croissance cellulaire bidimensionnelle en laboratoire, il manque des informations spatiales importantes pour la fonction ultérieure. Les cellules forment donc un tissu semblable à une cicatrice, au lieu de la masse cartilagineuse. Comme les cellules et leur structure de soutien - appelée matrice extracellulaire - sont imprimées en une seule étape avec le Bioprinter, leur utilisation future est déterminée dès le départ. Les cellules conservent ainsi leurs caractéristiques d'origine et reproduisent un nouveau cartilage endogène.

Les premières greffes issues du Bioprinter devraient être testées cette année encore sur des moutons ou des chèvres. De tels essais sur de grands animaux sont la condition préalable à des tests cliniques sur des humains, qui ouvrent la voie à une utilisation dans le quotidien des h?pitaux. "La question de savoir si nous rencontrerons à l'avenir des bio-imprimantes dans les h?pitaux n'est toutefois pas tant une question technique qu'une question d'acceptation de la technologie par les médecins, les patients et les assurances", affirme Zenobi-Wong avec conviction. C'est pourquoi son groupe de recherche travaille déjà en étroite collaboration avec des médecins de la clinique Schulthess.

Des c?urs sortis de l'imprimante ?

Depuis le premier atelier international sur la bio-impression en 2004, ce domaine de recherche n'a cessé de cro?tre. Actuellement, plus de 80 groupes de recherche dans le monde travaillent déjà sur des applications cliniques potentielles. Et aux ?tats-Unis, les premiers fournisseurs commerciaux de structures cellulaires imprimées pour les tests médicaux font déjà leur entrée sur le marché, poussés par un capital-risque important. Les premiers cartilages imprimés et implantés seront-ils donc bient?t suivis par des c?urs et des reins, comme certains le prédisent ? Zenobi-Wong est critique : "Il y a actuellement un grand engouement pour la bio-impression. Mais la recherche est encore très éloignée de beaucoup de ce qui est promis aujourd'hui". La fabrication de cartilage est relativement simple par rapport à celle d'organes corporels qui doivent être immédiatement alimentés en sang et en grandes quantités d'oxygène. Dans le cas du c?ur, des poumons ou des reins, il faudrait imprimer en même temps des centaines de capillaires pour alimenter l'organe - avec une précision et une matérialité qui sont probablement encore loin d'être réalisables. A cela s'ajoute le fait que dans de tels organes - contrairement au cartilage - différentes cellules doivent communiquer entre elles pour remplir toute une série de fonctions différentes. "Notre expertise se situe au niveau du cartilage, qui est sans doute le tissu corporel le plus simple à bio-imprimer", explique Zenobi-Wong. "Mais nous savons aujourd'hui que même celui-ci est tout sauf facile à imprimer".