La production d'organes humains fonctionnels en dehors du corps est un « Saint Graal » de la médecine de transplantation d'organes, longtemps recherché, mais qui reste insaisissable. De nouvelles recherches menées par le Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering et la John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) de Harvard rapprochent cette quête d'un grand pas.
Une équipe de scientifiques a créé une nouvelle méthode d'impression 3D de réseaux vasculaires constitués de vaisseaux sanguins interconnectés possédant une « enveloppe » distincte de cellules musculaires lisses et de cellules endothéliales entourant un « noyau » creux à travers lequel le fluide peut circuler, intégré à l'intérieur d'un tissu cardiaque humain. Cette architecture vasculaire imite étroitement celle des vaisseaux sanguins naturels et représente un progrès significatif vers la capacité de fabriquer des organes humains implantables. Cette réalisation est publiée dans Matériaux avancés.
« Dans des travaux antérieurs, nous avons développé une nouvelle méthode de bio-impression 3D, connue sous le nom de « écriture sacrificielle dans les tissus fonctionnels » (SWIFT), pour la création de canaux creux dans une matrice cellulaire vivante. Ici, en nous appuyant sur cette méthode, nous introduisons le SWIFT coaxial (co-SWIFT) qui récapitule l'architecture multicouche trouvée dans les vaisseaux sanguins natifs, ce qui facilite la formation d'un endothélium interconnecté et le rend plus robuste pour résister à la pression interne du flux sanguin », a déclaré le premier auteur Paul Stankey, étudiant diplômé à SEAS dans le laboratoire de Jennifer Lewis, Sc.D, co-auteure principale et membre du corps professoral de Wyss Core.
L'innovation clé développée par l'équipe est une buse unique à noyau et enveloppe avec deux canaux de fluide contrôlables indépendamment pour les « encres » qui composent les vaisseaux imprimés : une encre à base de collagène et une encre à base de gélatine. La chambre intérieure du noyau de la buse s'étend légèrement au-delà de la chambre à enveloppe, de sorte que la buse peut percer complètement un vaisseau préalablement imprimé pour créer des réseaux de ramification interconnectés pour une oxygénation suffisante des tissus et organes humains via perfusion. La taille des vaisseaux peut être modifiée pendant l'impression en modifiant soit la vitesse d'impression, soit le débit d'encre.
Pour confirmer le bon fonctionnement de la nouvelle méthode co-SWIFT, l’équipe a d’abord imprimé ses vaisseaux multicouches dans une matrice d’hydrogel granulaire transparente. Ensuite, ils ont imprimé les vaisseaux dans une matrice récemment créée appelée uPOROS, composée d’un matériau poreux à base de collagène qui reproduit la structure dense et fibreuse du tissu musculaire vivant. Ils ont réussi à imprimer des réseaux vasculaires ramifiés dans ces deux matrices acellulaires. Une fois ces vaisseaux biomimétiques imprimés, la matrice a été chauffée, ce qui a provoqué la réticulation du collagène dans la matrice et de l’encre de la coque, et la fusion de l’encre sacrificielle du noyau de gélatine, ce qui a permis son retrait facile et a donné lieu à une vascularisation ouverte et perfusable.
En passant à des matériaux encore plus pertinents sur le plan biologique, l'équipe a répété le processus d'impression en utilisant une encre de coque imprégnée de cellules musculaires lisses (SMC), qui constituent la couche externe des vaisseaux sanguins humains. Après avoir fait fondre l'encre de base en gélatine, ils ont ensuite perfusé des cellules endothéliales (EC), qui forment la couche interne des vaisseaux sanguins humains, dans leur système vasculaire. Après sept jours de perfusion, les SMC et les EC étaient vivantes et fonctionnaient comme des parois vasculaires – la perméabilité des vaisseaux était trois fois inférieure à celle des vaisseaux sans EC.
Enfin, ils étaient prêts à tester leur méthode à l’intérieur de tissus humains vivants. Ils ont construit des centaines de milliers de blocs de construction d’organes cardiaques (OBB) – de minuscules sphères de cellules cardiaques humaines en battement, qui sont comprimées dans une matrice cellulaire dense. Ensuite, à l’aide de co-SWIFT, ils ont imprimé un réseau vasculaire biomimétique dans le tissu cardiaque. Enfin, ils ont retiré l’encre du noyau sacrificiel et ont ensemencé la surface interne de leurs vaisseaux chargés de SMC avec des EC via perfusion et évalué leurs performances.
Non seulement ces vaisseaux biomimétiques imprimés présentent la structure à double couche caractéristique des vaisseaux sanguins humains, mais après cinq jours de perfusion avec un liquide imitant le sang, les OBB cardiaques ont commencé à battre de manière synchrone, ce qui indique un tissu cardiaque sain et fonctionnel. Les tissus ont également réagi aux médicaments cardiaques courants : l'isoprotérénol les a fait battre plus vite et la blébbistatine les a arrêtés. L'équipe a même imprimé en 3D un modèle de la vascularisation ramifiée de l'artère coronaire gauche d'un vrai patient en OBB, démontrant son potentiel pour la médecine personnalisée.
« Nous avons réussi à imprimer en 3D un modèle de la vascularisation de l'artère coronaire gauche à partir des données d'un patient réel, ce qui démontre l'utilité potentielle de co-SWIFT pour créer des organes humains vascularisés spécifiques au patient », a déclaré Lewis, qui est également le Professeur Hansjörg Wyss d'ingénierie d'inspiration biologique chez SEAS.
Dans le cadre de travaux futurs, l’équipe de Lewis prévoit de générer des réseaux auto-assemblés de capillaires et de les intégrer à leurs réseaux de vaisseaux sanguins imprimés en 3D pour reproduire plus complètement la structure des vaisseaux sanguins humains à l’échelle microscopique et améliorer la fonction des tissus cultivés en laboratoire.
Dire que la conception de tissus humains fonctionnels et vivants en laboratoire est difficile est un euphémisme. Je suis fier de la détermination et de la créativité dont cette équipe a fait preuve en prouvant qu'elle pouvait effectivement construire de meilleurs vaisseaux sanguins dans des tissus cardiaques humains vivants et en bonne santé. J'ai hâte de voir leur succès se poursuivre dans leur quête pour implanter un jour des tissus cultivés en laboratoire chez des patients.
Donald Ingber, MD, Ph.D., directeur fondateur de Wyss
Ingber est aussi le Professeur de biologie vasculaire Judah Folkman au HMS et au Boston Children's Hospital et Professeur Hansjörg Wyss d'ingénierie d'inspiration biologique chez SEAS.
Les autres auteurs de l'article sont Katharina Kroll, Alexander Ainscough, Daniel Reynolds, Alexander Elamine, Ben Fichtenkort et Sebastien Uzel. Ce travail a été soutenu par le programme de bourses d'études Vannevar Bush, parrainé par le Bureau de recherche fondamentale du secrétaire adjoint à la Défense pour la recherche et l'ingénierie, par le biais de la subvention N00014-21-1-2958 du Bureau de recherche navale, et par la National Science Foundation par le biais du CELL-MET ERC (#EEC-1647837).
