Au cours des dernières années, la piste de la biologie synthétique a été jalonnée d’avancées importantes, notamment avec l’essor de l’impression 3D biomédicale. Si jusqu’à maintenant les tissus n’étaient pas vascularisés ni pleinement fonctionnels sur le plan cellulaire, des chercheurs israéliens ont récemment changé cette situation en imprimant, pour la toute première fois, un cœur vascularisé créé à partir du matériel biologique des patients pour une compatibilité optimale. 

Dans le cadre d’une avancée médicale majeure, des chercheurs de l’Université de Tel Aviv ont imprimé le premier cœur artificiel vascularisé en 3D au monde à l’aide des cellules et du matériel biologique d’un patient. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Advanced Science. Jusqu’à présent, les scientifiques en médecine régénérative — un domaine situé au carrefour de la biologie et de la technologie — ont réussi à imprimer des tissus simples sans vaisseaux sanguins.

« C’est la première fois que quiconque a réussi à concevoir et à imprimer tout un cœur rempli de cellules, de vaisseaux sanguins, de ventricules et de chambres » déclare Tal Dvir, professeur de biologie cellulaire et de biotechnologie.

Les maladies cardiaques sont la principale cause de décès chez les hommes et les femmes aux États-Unis. La transplantation cardiaque est actuellement le seul traitement disponible pour les patients atteints d’insuffisance cardiaque au stade terminal. Étant donné la grave pénurie de donneurs de cœur, il est urgent de développer de nouvelles approches pour régénérer le cœur malade.

schema impression coeur

Schéma récapitulant la totalité de la procédure, du prélèvement de matériaux biologiques du patient jusqu’à la greffe du patch cardiaque ou du nouveau cœur, en passant par la fabrication d’une bio-encre personnalisée et l’impression 3D. Crédits : Nadav Noor et al. 2019

« Ce cœur est fabriqué à partir de cellules humaines et de matériaux biologiques spécifiques au patient. Dans notre processus, ces matériaux servent de liens biologiques, de substances à base de sucres et de protéines pouvant être utilisés pour l’impression 3D de modèles tissulaires complexes » explique Dvir.

« Les scientifiques ont réussi à imprimer en 3D la structure d’un cœur dans le passé, mais pas avec des cellules ni des vaisseaux sanguins. Nos résultats démontrent le potentiel de notre approche pour l’ingénierie du remplacement personnalisé de tissus et d’organes à l’avenir. À ce stade, notre cœur en 3D est petit, de la taille d’un cœur de lapin. Mais les grands cœurs humains nécessitent la même technologie ».

Pour la recherche, une biopsie de tissu adipeux a été réalisée chez des patients. Les matériaux cellulaires et acellulaires du tissu ont ensuite été séparés. Alors que les cellules ont été reprogrammées pour devenir des cellules souches pluripotentes, la matrice extracellulaire (MEC) — un réseau tridimensionnel de macromolécules extracellulaires telles que le collagène et les glycoprotéines, a été transformée en un hydrogel personnalisé servant d’encre d’impression.

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resultats impression coeur

Impression de tissus épais vascularisés. a) Vue de dessus d’une entrée de lumière anatomique (CD31; vert) dans un tissu cardiaque épais (actinine; rose). b) Un modèle de vaisseau sanguin tripode dans un tissu cardiaque épais (coordonnées en mm), et c) les lumières correspondantes dans chaque section indiquée de la structure imprimée. d) Perfusion tissulaire visualisée sous deux angles. e – k) Un cœur humain imprimé, à petite échelle et cellularisé. e) Le modèle CAD du cœur humain. f, g) Un cœur imprimé dans un bain d’hydrogel. h) Après extraction, les ventricules gauche et droit ont été injectés avec des colorants rouge et bleu, respectivement, afin de mettre en évidence les cavités creuses et le septum qui les sépare. Crédits : Nadav Noor et al. 2019

Après mélange avec l’hydrogel, les cellules ont été différenciées efficacement en cellules cardiaques ou endothéliales afin de créer des patchs cardiaques compatibles avec le patient, avec des vaisseaux sanguins et, par la suite, un cœur entier. Selon le professeur Dvir, l’utilisation de matériaux natifs spécifiques au patient est cruciale pour l’ingénierie réussie des tissus et des organes.

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« La biocompatibilité des matériaux d’ingénierie est cruciale pour éliminer le risque de rejet des implants, ce qui compromet le succès de tels traitements. Idéalement, le biomatériau devrait posséder les mêmes propriétés biochimiques, mécaniques et topographiques que les propres tissus du patient. Ici, nous pouvons rapporter une approche simple des tissus cardiaques épais, vascularisés et perfusables imprimés en 3D qui correspondent parfaitement aux fonctions immunologique, cellulaire, biochimique et cellulaire du patient ».

Les chercheurs prévoient maintenant de cultiver les cœurs imprimés dans le laboratoire et leur apprendre à se comporter comme des cœurs, explique le professeur Dvir. Ils prévoient ensuite de transplanter le cœur imprimé en 3D dans des modèles animaux.

« Nous devons développer davantage le cœur imprimé. Les cellules doivent acquérir une capacité de pompage; elles peuvent actuellement se contracter, mais nous avons besoin qu’elles travaillent ensemble. Nous espérons pouvoir réussir et prouver l’efficacité et l’utilité de notre méthode. Peut-être que dans dix ans, il y aura des imprimeurs d’organes dans les meilleurs hôpitaux du monde et que ces procédures seront effectuées de manière routinière » conclut-il.

Une vidéo montrant le processus d’impression du coeur :

Sources : Advanced Science

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