La bio-impression 3D rend la matrice d'imitation réelle

Il n’y a rien de virtuel dans les tissus issus de la bio-ingénierie – alors prenez la pilule rouge et la pilule bleue

Au laboratoire de l'Université de Floride dirigé par Christine E. Schmidt, PhD, les scientifiques ont utilisé une méthode basée sur l'apoptose pour décelluler les poumons de rat et préserver la matrice extracellulaire (MEC). Les scientifiques ont l'intention de recellulariser les hydrogels ECM pour créer des modèles de maladies pulmonaires. Cette projection 3D montre des cellules épithéliales de poumon de rat cultivées dans des hydrogels ECM pulmonaires (vert : cellules vivantes ; rouge : cellules mortes).

La matrice extracellulaire (MEC) est un réseau tridimensionnel (3D) de macromolécules, telles que le collagène, les enzymes et les glycoprotéines, qui est essentiel à l'orientation spatiale, à l'interaction et à la signalisation entre les cellules environnantes. Lorsque l’ECM est conçue, l’idée est d’imiter les environnements tissulaires naturels, de mieux comprendre la régulation cellulaire pilotée par la matrice et, en outre, de développer des remplacements pour les organes endommagés.

L'imitation ECM prend vie grâce à la bio-impression 3D. Extension de l'impression 3D traditionnelle, la bio-impression 3D est une technologie de fabrication additive qui dépose des biomatériaux (cellules, facteurs de croissance et composants d'échafaudage réticulables) dans des arrangements favorables à la formation de structures ressemblant à des tissus. La bio-impression 3D apparaît comme un outil puissant pour la médecine régénérative car elle est capable d’associer des propriétés physiques et biochimiques optimales pour l’adhésion cellulaire, la prolifération migratoire et la différenciation.

Les modèles bio-imprimés en 3D occupent une niche unique dans la communauté de recherche, offrant une intégration étroitement contrôlée de la matrice de support avec les types de cellules pertinents. "Si [nous voulions] créer un vaisseau sanguin synthétique, nous semerions des cellules endothéliales sur l'une des bio-encres hautement biocompatibles, dérivées de la gélatine, de la fibrine, de l'alginate ou d'autres matériaux naturels", explique Akhilesh K. Gaharwar, PhD, associé. professeur de génie biomédical à la Texas A&M University.

Le proche collaborateur de Gaharwar, Abhishek Jain, PhD, professeur adjoint de génie biomédical à Texas A&M, renforce ce point : « La bio-impression 3D pourrait reproduire avec précision l'anatomie vasculaire d'un patient, y compris les géométries personnalisées des tomodensitogrammes. En superposant une matrice polymère et des communautés cellulaires, nous augmentons progressivement la complexité du système, amenant les cellules à s'aligner, à interagir et à répondre de manière physiologiquement pertinente.

Gaharwar et Jain pensent que la modélisation du système vasculaire complexe pourrait conduire à de meilleurs traitements des maladies vasculaires. Représentant plus de 17 millions de décès par an, les maladies vasculaires devraient atteindre des proportions épidémiques dans un avenir proche.

Un système vasculaire complexe est difficile à reproduire in vitro car il consiste en une architecture multicouche de cellules. Cette architecture est non seulement conforme aux structures vasculaires de base (vaisseaux composés de couches internes et externes de cellules), mais elle prend également en charge les interactions complexes qui se produisent entre les cellules vasculaires et le microenvironnement environnant.

"La bio-impression 3D est capable de fabriquer un modèle capable de reproduire des propriétés mécaniques, telles que la relaxation et la contraction des parois, ainsi que des propriétés physiologiques, telles que l'activation endothéliale, la formation de caillots et d'autres caractéristiques importantes de la maladie", ajoute Jain. «Nos laboratoires travaillent sur une nouvelle famille de bio-encres qui conservent une haute fidélité de forme après extrusion et une stabilité mécanique après réticulation.»

La réticulation donne lieu à un hydrogel, et l'hydrogel est combiné avec des nanoparticules de nanosilicate en forme de disque, qui ajoutent de la résistance à la construction imprimée et se lient électrostatiquement aux polymères chargés. L'incorporation de nanosilicates dans les hydrogels améliore remarquablement les propriétés d'écoulement des solutions précurseurs du produit imprimé. Par conséquent, la réticulation des précurseurs imprimés avec la lumière UV produit une matrice unique, solide mais élastique, adaptée aux procédures de greffage.1

« Notre objectif est d'accélérer la découverte de médicaments en créant un vaisseau sanguin entièrement fonctionnel contenant des cellules vasculaires humaines primaires », déclare Gaharwar. « [Nous espérons] explorer la communication intercellulaire au cours des processus pathologiques à un niveau sans précédent. »