Un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Alvaro Mata de l'Université de Nottingham, ainsi que d'autres de l'Université Queen Mary de Londres, a réussi à créer un biomatériau qui pourrait être utilisé pour la création de tissus pouvant former des vaisseaux sanguins. L'étude intitulée «Co-assemblage désordonné protéine-oxyde de graphène et biofabrication supramoléculaire des dispositifs fluidiques fonctionnels» a été publiée dans le dernier numéro de la revue Communications de la nature.
Sur quoi porte l'étude?
Pour cette étude, l'équipe de chercheurs a utilisé de l'oxyde de graphène et une protéine qu'ils ont imprimée en 3D pour créer une structure tubulaire. Cette structure tubulaire pourrait imiter les propriétés d'une structure vasculaire comme les artères ou les veines qu'ils ont écrites.
L'auteur principal de cette étude de pointe en ingénierie biomédicale, le professeur Mata, a déclaré: «Ce travail offre des opportunités en matière de biofabrication en permettant la bioprinting 3D descendante et l'auto-assemblage ascendant simultané de composants synthétiques et biologiques de manière ordonnée à l'échelle nanométrique. Ici, nous biofabriquons des structures fluidiques capillaires à micro-échelle qui sont compatibles avec les cellules, présentent des propriétés physiologiquement pertinentes et ont la capacité de résister à l'écoulement. Cela pourrait permettre la recréation de la vascularisation en laboratoire et avoir des implications dans le développement de médicaments plus sûrs et plus efficaces, ce qui signifie que les traitements pourraient potentiellement atteindre les patients beaucoup plus rapidement. »
Ce qui a été fait?
L'équipe de recherche internationale a écrit qu'il était possible d'assembler des matériaux avec une précision moléculaire exacte lorsqu'ils utilisaient la «chimie supramoléculaire». Ils ont expliqué que malgré cela, la création réelle d'ensembles fonctionnels a été difficile à atteindre jusqu'à présent. Ils ont utilisé des «protéines désordonnées» et de l'oxyde de graphène (GO) dans cette expérience pour voir si celles-ci étaient assemblées à l'aide d'un «processus de diffusion-réaction» et il y avait des transitions, la création typique de «matériaux organisés hiérarchiquement» était possible. Ces molécules étaient stables, ont-ils écrit.
Dans cette étude, ils ont décrit des simulations de dynamique moléculaire pour voir comment ils pourraient former ces assemblages et créer des produits utiles. Ils ont noté qu'en utilisant ces assemblages, ils pourraient créer de minces microstructures capillaires qui pourraient agir comme capillaires. Ces structures étaient fluidiques, écrivaient-ils, et pouvaient résister à l'écoulement de liquides à l'intérieur. S'ils sont prouvés, ceux-ci pourraient ouvrir une nouvelle voie dans la création d'un système vasculaire, ont écrit les chercheurs.
Ils ont conclu: «Notre étude présente une approche innovante pour transformer une conception supramoléculaire rationnelle en ingénierie fonctionnelle avec une utilisation potentielle généralisée dans les systèmes microfluidiques et les plateformes d'organes sur puce.»
Les matériaux utilisés
L'équipe a utilisé des protéines avec de l'oxyde de graphène. Ils ont écrit que les protéines étaient désordonnées et que ces régions des protéines étaient flexibles. L'équipe a expliqué que les protéines ordonnées étaient celles avec une feuille β et une hélice α, tandis que les protéines désordonnées avaient la forme d'une bobine aléatoire. Les deux types avaient des régions qui jouaient un rôle dans ses fonctions.
Image de microscopie électronique à balayage représentant des cellules endothéliales se développant à la surface des structures tubulaires imprimées. Crédit d'image: Professeur Alvaro Mata
Ces régions pourraient ensuite s'assembler avec l'oxyde de graphène, ont-ils écrit. Différentes interactions entre les matériaux pourraient aider dans différents assemblages, ont-ils expliqué. Ils ont écrit sur les feuilles d'oxyde de graphène: «Nous avons utilisé des feuilles GO de deux tailles latérales moyennes différentes, y compris des GO plus grandes (GO-L) mesurant 10,5 ± 4,5 µm et des GO plus petites (GO-S) de 2,3 ± 0,9 µm, toutes deux présentant une surface hydrophobe typique et groupes carboxyliques chargés négativement à leur périphérie. »
Ils ont écrit qu'un bioink d'impression 3D pourrait être créé à partir de ces matériaux et structures aussi petits que dix nanomètres pourraient être créés en utilisant ce bioink. Ces structures auraient des caractéristiques et des géométries microscopiques détaillées, ont-ils écrit.
Gros plan d'une structure tubulaire réalisée par impression simultanée et auto-assemblage entre l'oxyde de graphène et une protéine. Crédit d'image: Professeur Alvaro Mata
Impact de l'étude
Les chercheurs, Dr Yuanhao Wu, ont expliqué: «Il y a un grand intérêt à développer des matériaux et des processus de fabrication qui imitent ceux de la nature. Cependant, la capacité de construire des matériaux et des dispositifs fonctionnels robustes grâce à l'auto-assemblage de composants moléculaires a jusqu'à présent été limitée. Cette recherche introduit une nouvelle méthode pour intégrer les protéines à l'oxyde de graphène par auto-assemblage d'une manière qui peut être facilement intégrée à la fabrication additive pour fabriquer facilement des dispositifs biofluidiques qui nous permettent de reproduire des parties clés des tissus et organes humains en laboratoire. »
Coupe transversale d'une structure tubulaire bioimprimée avec des cellules endothéliales (vertes) sur et intégrées dans la paroi. Crédit d'image: Professeur Alvaro Mata
L'équipe a écrit des conclusions sur l'impact futur de l'étude, disant que ce système «offre une possibilité passionnante de développer des dispositifs biohybrides complexes et fonctionnels avec un haut niveau de pertinence biologique par traitement supramoléculaire». Ils ont écrit que cette étude prouve que les assemblages moléculaires pourraient aider à créer des dispositifs fonctionnels qui seraient robustes et adaptés à l'utilisation. Ils ont ajouté que «l'assemblage, la biocompatibilité et la bioactivité» étaient les trois propriétés robustes de ces combinaisons, et cela pourrait ouvrir, «de nouvelles opportunités pour l'ingénierie d'échafaudages d'ingénierie tissulaire plus complexes et biologiquement pertinents, de systèmes microfluidiques, ou d'organe sur organe. dispositifs à puce. » Cela pourrait être un pont entre la conception supramoléculaire et l'ingénierie biomédicale fonctionnelle et reproductible.
Référence de la revue:
Wu, Y., Okesola, B.O., Xu, J. et al. Co-assemblage protéine-oxyde de graphène perturbé et biofabrication supramoléculaire de dispositifs fluidiques fonctionnels. Nat Commun 11, 1182 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-14716-z
