Construire des muscles humains fonctionnels en laboratoire est depuis longtemps un objectif de la médecine régénérative, mais un obstacle persistant demeure : le vrai muscle n’est pas seulement une masse de cellules. Sa force et sa fonction dépendent de myofibres superbement ordonnées, toutes alignées dans des directions précises qui varient d’un muscle à l’autre. Reproduire cet ordre interne s’est avéré bien plus difficile que de façonner le tissu musculaire pour lui donner la bonne forme externe.
Publié dans le Journal international de fabrication extrêmeune équipe de recherche de l'Université Jiaotong de Xi'an a maintenant trouvé un moyen de résoudre les deux problèmes à la fois. En utilisant des forces électriques pendant le processus de bio-impression électrohydrodynamique, ils ont créé des tissus musculaires vivants dont les cellules s’alignent naturellement comme elles le font dans le corps humain, montrant comment les forces électriques peuvent être utilisées non seulement pour bio-imprimer avec précision les tissus, mais aussi pour instruire silencieusement les cellules comment s’organiser.
Les muscles squelettiques se présentent sous de nombreuses formes. Certaines fibres forment de longs faisceaux parallèles qui alimentent nos bras et nos jambes. D’autres se courbent ou se déploient, nous aidant à saisir, mâcher ou contrôler les mouvements avec précision. Malgré ces différences, tous les muscles partagent une caractéristique microscopique commune : leurs cellules sont hautement alignées. Cet alignement permet aux cellules musculaires individuelles de fusionner en fibres longues et de se contracter efficacement. Sans cela, le tissu musculaire est faible et peu fonctionnel.
Les méthodes existantes d’ingénierie tissulaire peuvent encourager les cellules à s’aligner, mais généralement uniquement sous forme de feuilles plates ou de structures simples. La bio-impression, en revanche, excelle dans la création de formes tridimensionnelles, mais les cellules à l’intérieur des tissus imprimés restent souvent désorganisées.
Vous pouvez imprimer la forme d’un muscle, mais les cellules ne savent pas dans quelle direction tirer. »
Professeur Jiankang He, auteur correspondant de l'étude et professeur de génie mécanique à l'Université Xi'an Jiaotong
L’équipe s’est tournée vers une technique appelée bio-impression électrohydrodynamique, ou EHD. Contrairement à la bio-impression conventionnelle qui consiste à extruder des matériaux souples à travers une buse, la bio-impression EHD utilise un champ électrique puissant pour extraire des jets de liquide extrêmement fins. Cela permet une résolution d’impression beaucoup plus élevée, mais jusqu’à présent, cela offrait peu de contrôle sur le comportement des cellules à l’intérieur du matériau imprimé.
Leur percée est venue de la refonte du bioink lui-même. Les chercheurs ont combiné l'alginate, un gel imprimable couramment utilisé en bio-impression, avec la fibrine, une protéine naturelle qui aide le sang à coaguler et joue un rôle clé dans la cicatrisation des plaies. La fibrine est également électriquement sensible, de sorte que lorsque la bio-encre est étirée par le champ électrique pendant l’impression, ces minuscules amas de fibrine dispersés de manière aléatoire sont séparés et réorganisés en nanofibres longues et uniformément alignées.
Cette transformation se produit à un moment critique appelé stade du cône de Taylor, lorsque le jet liquide se forme pour la première fois sous haute tension. À environ 3 000 volts, la fibrine se réorganise en fibres nanométriques qui pointent toutes dans la même direction que le filament imprimé. Pour les cellules incorporées dans le gel, ces fibres agissent comme des traces microscopiques. Les cellules détectent la structure alignée autour d’elles et s’orientent en conséquence.
« Au fur et à mesure que le matériau s'aligne, les cellules suivent », explique Ayiguli Kasimu, doctorant et premier auteur de l'étude. « Le champ électrique construit effectivement un système routier à l'échelle nanométrique, et les cellules se développent naturellement le long de celui-ci. »
Étant donné que l’alignement apparaît lors de l’impression, la méthode offre une liberté inhabituelle. En modifiant simplement la trajectoire de la buse de l'imprimante, les chercheurs ont produit des tissus musculaires comportant des fibres droites, des fibres courbes ou des dispositions circulaires, le tout contenant des cellules étroitement alignées à l'intérieur. Cela permet d’imiter les diverses architectures observées dans les muscles réels, plutôt que de forcer chaque tissu à suivre le même modèle simple.
Pour rendre les tissus imprimés encore plus semblables à des muscles, l'équipe a ajouté des polymères conducteurs au bioink. « Le tissu musculaire s'appuie sur des signaux électriques pour coordonner la contraction, et les additifs conducteurs ont permis aux constructions imprimées de transmettre ces signaux », explique le professeur adjoint Zijie Meng, auteur co-correspondant de l'étude à l'université Jiaotong de Xi'an. Le résultat était non seulement de meilleures propriétés électriques, mais également un développement musculaire plus sain. Les cellules ont fusionné plus efficacement dans les fibres musculaires matures et ont montré une expression plus forte des protéines spécifiques aux muscles.
Le véritable test s’est produit dans les organismes vivants. Lorsqu’ils sont implantés dans des modèles animaux présentant des défauts musculaires, les tissus imprimés favorisent la formation de nouveaux muscles et améliorent considérablement la récupération fonctionnelle. Les constructions alignées et conductrices n’ont pas seulement survécu dans le corps ; ils ont activement contribué à restaurer la fonction musculaire perdue.
Au-delà de ses implications immédiates pour la réparation musculaire, l’étude met en lumière une idée plus large : le champ électrique peut être utilisé comme un outil puissant pour façonner la matière vivante de l’intérieur vers l’extérieur. Les chercheurs montrent que l’alignement résulte d’une combinaison d’effets électriques et mécaniques. Les différences de charge électrique provoquent la migration et la réorganisation de la fibrine, tandis que l'étirement intense du matériau pendant l'impression allonge les amas de fibrine en fibres. Ensemble, ces processus créent un environnement finement ordonné que les cellules comprennent instinctivement.
Les auteurs reconnaissent que davantage de travail reste à faire. Les détails moléculaires de la façon dont la fibrine réagit aux champs électriques ne sont pas encore entièrement compris et des études supplémentaires seront nécessaires pour optimiser la densité cellulaire, la chimie des matériaux et les performances à long terme. Pourtant, le concept est clair et convaincant.
En transformant la force du champ électrique en un signal de conception biologique, l'équipe de Xi'an Jiaotong a montré une nouvelle façon de bio-imprimer des tissus vivants qui ressemblent et se comportent davantage comme les vrais. Si elle était étendue à d’autres organes, cette approche pourrait contribuer à combler le fossé de longue date entre les formes imprimées et la véritable fonction biologique, rapprochant ainsi la médecine régénérative de la reconstruction du corps.
