L’avenir de la médecine : Les imprimantes 3D peuvent déjà créer des parties du corps humain

Avez-vous l’impression de vivre dans une version de science-fiction du futur ? Parce que vous le devriez probablement.

Ces dernières années, les mises à jour des technologies d’impression 3D ont permis aux chercheurs médicaux d’imprimer des objets qu’il était impossible de fabriquer avec la version précédente de cette technologie, notamment des aliments, des médicaments et même des parties du corps.

En 2018, des médecins de l’Ontario Veterinary College ont imprimé en 3D une plaque de titane personnalisée pour un chien qui avait perdu une partie de son crâne après une opération du cancer.

“En effectuant ces procédures chez nos patients animaux, nous pouvons fournir des informations précieuses qui peuvent être utilisées pour montrer la valeur et la sécurité de ces implants pour les humains”, avait alors déclaré Michelle Oblak, oncologue chirurgicale vétérinaire. “Ces implants constituent le prochain grand bond en avant de la médecine personnalisée qui permet d’adapter chaque élément des soins médicaux d’un individu à ses besoins particuliers.”

Et pas seulement pour les patients animaux.

Qu’est-ce que la bio-impression 3D ?

La bio-impression 3D est l’utilisation des technologies d’impression 3D pour fabriquer des parties du corps. Les bio-imprimeurs fonctionnent de manière similaire aux imprimantes 3D. Toutefois, au lieu de déposer des matériaux tels que le plastique ou la céramique, ils déposent des couches de biomatériau, y compris des cellules vivantes, pour construire des structures complexes comme des vaisseaux sanguins ou des tissus cutanés.

Les cellules requises sont prélevées sur un patient, puis cultivées. Ces cellules sont généralement associées à un matériau porteur ou échafaudage. Ce support est généralement un type de gel biopolymère, qui agit comme un échafaudage moléculaire 3D et protège les cellules pendant le processus d’impression. Les cellules se fixent sur le gel, qui est suffisamment solide pour permettre l’impression et suffisamment souple pour permettre l’écoulement et la diffusion des nutriments et le mouvement des cellules. Cette combinaison de cellules encapsulées et de gels biopolymères est la bio-encre utilisée par les ingénieurs biomédicaux pour créer des structures semblables à des tissus imprimés en 3D.

Des conceptions et des modèles informatiques détaillés sont d’abord réalisés, souvent à partir de scans tels que l’imagerie par résonance magnétique ou la tomographie assistée par ordinateur, prélevés directement sur un patient. Les têtes d’impression de précision déposent ensuite les cellules et les bio-encres exactement là où elles sont nécessaires et, en plusieurs heures, un objet organique est construit à l’aide d’un grand nombre de couches très fines.

Les cellules sont maintenues en vie à l’aide de nutriments liquéfiés et d’oxygène pendant tout le processus.

Après l’impression, les structures peuvent être réticulées avec de la lumière UV ou des solutions ioniques pour les rendre plus stables. Les cellules sont stimulées chimiquement et mécaniquement pour contrôler le remodelage et la croissance des tissus. Ensuite, le produit imprimé en 3D est placé dans un incubateur pour permettre aux cellules de se développer.

Lorsqu’elle est prête, la structure doit être utilisée le plus rapidement possible, à moins que la bio-impression 3D ne soit associée à des techniques de cryoconservation – ce que des chercheurs du Brigham and Women’s Hospital et de la Harvard Medical School ont réalisé l’année dernière.

Les travaux, publiés le 21 décembre, montrent comment l’équipe a pu imprimer en 3D des tissus sur une plaque froide à -20°C, après quoi ils ont été conservés dans un congélateur à -196°C. Selon les chercheurs, les tissus peuvent ensuite être décongelés en quelques minutes pour une utilisation immédiate.

Tendons et ligaments

En 2018, des ingénieurs biomédicaux de l’université de l’Utah ont mis au point une méthode d’impression 3D de ligaments et de tendons. La méthode consiste d’abord à prélever des cellules souches du patient et à les imprimer sur une couche d’hydrogel pour former un tendon ou un ligament. On laisse ensuite ce dernier se développer in vitro dans une culture avant de l’implanter. Toutefois, le processus était très complexe, car le tissu conjonctif est composé de différentes cellules selon des schémas complexes. L’équipe a d’abord dû mettre au point une tête d’impression spéciale capable de déposer des cellules humaines de la manière hautement contrôlée dont elle a besoin.

Pour ce faire, l’équipe s’est associée à la société Carterra, Inc. basée dans l’Utah, afin de mettre au point une tête d’impression spéciale qui lui permettrait de déposer des cellules selon des schémas complexes. La tête d’impression a ensuite été fixée à une imprimante 3D normalement utilisée pour imprimer des anticorps pour le traitement du cancer.

Grâce à cette technique, les scientifiques ont réussi à imprimer en 3D des cellules souches prélevées dans la graisse corporelle d’un patient sur une couche d’hydrogel. Cet hydrogel facilite la croissance des cellules in vitro dans une culture, formant au passage un ligament ou un tendon.

Le nouveau tissu est ensuite implanté dans la zone endommagée du corps du patient, ce qui élimine le besoin de procédures supplémentaires de remplacement des tissus.

Les tissus de remplacement pour ceux qui en ont besoin sont souvent prélevés ailleurs sur le corps du patient ou sur un cadavre. Toutefois, les tissus prélevés sur des cadavres courent un risque élevé d’être rejetés par les tissus environnants ou d’être de mauvaise qualité et inefficaces.

Au contraire, les tissus créés à partir des propres cellules du patient peuvent réduire les complications liées à une transplantation et accélérer le processus de guérison.

La bio-impression de la peau et la cicatrisation

La bio-impression 3D pourrait également nous aider à dire adieu aux greffes de peau dans un avenir proche, car les médecins pourraient être en mesure d’imprimer en 3D une nouvelle peau pour chaque patient.

La greffe de peau consiste à transplanter de la peau saine provenant d’un animal, d’un donneur humain ou du propre corps du patient dans une autre partie de son corps où la peau est gravement endommagée. Cette procédure est couramment utilisée pour traiter les plaies, brûlures, ulcères et infections graves, ou après l’ablation de cancers de la peau.

Mais cette technique comporte plusieurs risques, allant des hémorragies et de la perte de sensibilité aux infections, aux cicatrices et au rejet.

C’est pourquoi les scientifiques du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) travaillent sur un système mobile de bio-impression cutanée au chevet du patient qui pourrait permettre aux médecins d’imprimer de la peau bicouche directement sur la plaie du patient.

“L’aspect unique de cette technologie est la mobilité du système et la possibilité de gérer sur place des plaies étendues en les scannant et en les mesurant afin de déposer les cellules directement là où elles sont nécessaires pour créer de la peau”, a déclaré Sean Murphy, Ph.D., professeur adjoint au WFIRM et auteur principal de l’article.

Pour ce faire, les scientifiques ont isolé certaines cellules de la peau à partir d’une biopsie de tissu sain et les ont cultivées. Ensuite, ils ont combiné les cellules avec un hydrogel et les ont placées dans la biopresse. L’appareil a imprimé les cellules sur la zone endommagée en suivant les données extraites du scan de la plaie grâce à un logiciel.

Là encore, comme les cellules sont prélevées dans le propre corps du patient, le risque de rejet est beaucoup plus faible.

Pendant ce temps, à Dublin, des scientifiques de l’université de médecine et des sciences de la santé RCSI ont mis au point un échafaudage d’hydrogel avec du plasma riche en plaquettes naturelles (PRP) qui présente des propriétés régénératrices prometteuses. Le composé peut être utilisé comme bio-encre pour accélérer le processus de cicatrisation dans les tissus imprimés en 3D.

“La littérature existante suggère que, même si le PRP déjà présent dans notre sang contribue à la cicatrisation des plaies, des cicatrices peuvent encore apparaître”, a déclaré le professeur Fergal O’Brien de la RCSI. “En imprimant en 3D du PRP dans un échafaudage biomatériau, nous pouvons augmenter la formation de vaisseaux sanguins tout en évitant la formation de cicatrices, ce qui conduit à une cicatrisation plus réussie.”

Vaisseaux sanguins

L’objectif ultime de la bio-impression 3D est peut-être d’assembler des organes fonctionnels et de résoudre le problème de la transplantation d’organes.

Actuellement, plus de 100 000 personnes attendent un organe sur la liste d’attente nationale des États-Unis. Environ 17 d’entre elles meurent chaque jour parce qu’elles ne reçoivent pas l’organe dont elles ont besoin. Cela est dû en grande partie au manque de donneurs. Bien qu’environ 60 % des Américains soient inscrits comme donneurs, le don d’organes n’est possible que dans 3 cas sur 1 000 décès.

La bio-impression d’organes en 3D pourrait sauver de nombreuses vies, mais les scientifiques peinent à créer les structures vasculaires nécessaires à la création d’organes imprimés viables. Tous les organes, y compris ceux imprimés en 3D, ont besoin d’un apport sanguin efficace et continu pour éviter la mort des cellules et des tissus.

En octobre 2021, une équipe de chercheurs de l’Institut Technion de technologie d’Israël est parvenue à imprimer en 3D des structures de vaisseaux sanguins pour ajouter un apport sanguin aux implants tissulaires.

Ces structures se sont développées spontanément après que l’équipe a implanté des cellules endothéliales provenant de la couche interne des vaisseaux sanguins de l’organisme dans un échafaudage de collagène polymère.

Cependant, il ne s’agit que de microvaisseaux qui peuvent être utilisés pour améliorer le développement de tissus in vitro – ils ne pourraient pas “nourrir” un organe entier, et jusqu’à présent, ils ne permettent pas l’intégration de tissus cultivés en laboratoire dans le système vasculaire du patient.

Cette étude montre qu’il reste encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir réellement imprimer des organes en 3D à la demande. Mais qui sait quelles techniques les scientifiques pourront développer pour résoudre ce problème à l’avenir ?

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche