Organes à la demande

Dans un laboratoire de San Diego (USA), un minuscule morceau de tissu hépatique a « fonctionné » pendant plus de 40 jours, produisant protéines, enzymes et cholestérol exactement de la même manière qu’un foie humain. Mais ce bout de tissu – un petit carré de 3 mm2 et de 0,5 mm d’épaisseur – ne provenait pas d’un foie humain. Il avait été « fabriqué » à partir d’une imprimante 3D. Une véritable révolution dans le monde de l’ingénierie tissulaire.

« Ce tissu hépatique se comporte comme un foie entier plus que n’importe quel modèle antérieur ; c’est ce qui est vraiment incroyable », déclare Keith Murphy, PDG de Organovo Holdings Inc., entreprise créée en 2008 avec l’aide de Gabor Forgacs, professeur en bio-ingénierie à l’université du Missouri, et qui commercialise les découvertes majeures réalisées dans ce que l’on a appelé la « bio-impression 3D ». « Il faut continuer les recherches et rassembler plus d’informations, mais le fait que le tissu se comporte comme un foie porte à croire qu’il continuera
à se comporter comme tel lorsqu’on commencera à le tester avec des médicaments. »

L’enthousiasme de K. Murphy est partagé par les chercheurs de laboratoires aux États-Unis mais également au Royaume-Uni, en France, en Allemagne ainsi qu’au Japon. Ces scientifiques des quatre coins du monde déploient actuellement une large gamme de technologies informatiques et d’impression spécialisées, afin de perfectionner la fabrication de tissus humains incluant la peau, la vessie,
les os et les dents.

« FABRIQUER DES ORGANES ÉPAIS ET COMPLEXES PRENDRA DU TEMPS, MAIS CRÉER DES TISSUS DE L’ORDRE D’UN MILLIMÈTRE D’ÉPAISSEUR DANS LA PLUS PETITE DES TROIS DIMENSIONS SERA POSSIBLE PLUS TÔT. »

L’objectif initial est de produire des tissus pouvant remplacer les tissus humains naturels dans le commerce florissant du médicament, dont le budget annuel est de US$50 milliards. Mais l’objectif ultime, toutefois, serait de produire des organes entiers qui fonctionneraient comme tels, y compris des organes comme le foie, les reins et le cœur actuellement disponibles uniquement grâce aux donneurs humains, mais pour lesquels la liste d’attente est souvent longue. Si les recherches aboutissent, elles permettront de sauver des milliers de vies chaque année et d’en finir avec les milliards dépensés annuellement dans des soins qui, certes, permettent de sauver des vies mais sont encore débilitants, comme par exemple la dialyse rénale, qui traite mais ne guérit pas.

IMPRIMER AVEC DES CELLULES

La bio-impression est une forme spécialisée d’impression 3D. Celle-ci utilise une imprimante contrôlée par ordinateur afin de construire des strates de plastique ou
de métal selon un modèle pré-établi, qui seront ensuite assemblées pour créer des pièces utilisables dans des domaines aussi divers que la bijouterie ou les moteurs d’avions. Au lieu de plastique ou de métal, la bio-impression crée des billes « d’encre bio » composées de cellules vivantes, en alternance avec un gel qui soude ces billes ensemble. Une fois « imprimées » sous forme de tissu, les cellules – tant les cellules souches embryonnaires qui peuvent être entraînées à remplir toutes les fonctions corporelles que les cellules souches adultes choisies pour une fonction précise – s’organisent et commencent à remplir les mêmes fonctions qu’elles auraient eues dans le corps humain.

La bio-impression 3D a été inventée par Makoto Nakamura, aujourd’hui professeur en ingénierie des sciences de la vie à l’université de Toyama au Japon, qui a découvert que la taille des minuscules gouttes d’encre déposées par une imprimante à jet d’encre était identique à celle des cellules biologiques. Il a ainsi conçu la première bio-imprimante 3D en 2006.

« Nous avons démontré que les structures 3D peuvent être fabriquées à l’aide de différents types de cellules », explique M. Nakamura.

NI REJET, NI TEST SUR ANIMAUX

En Allemagne, au Centre laser de Hanovre, centre universitaire spécialisé dans la recherche laser, les ingénieurs ont réussi pour la première fois à imprimer du tissu humain cutané en 3D à partir de deux types différents de cellules : des fibroblastes et des kératinocytes. Dans un environnement de laboratoire, il est primordial pour deux cellules différentes de se développer côte à côte pour pouvoir ressembler, ensuite, à du tissu humain.

« Nous avons testé ce greffon de peau sur des individus et sur des souris, et le tissu fonctionne plutôt bien pour recouvrir une blessure », raconte Lothar Koch, directeur du groupe de recherche sur la bio-impression au Centre laser. Pour commencer, la peau est greffée sur des souris immunodéficientes afin de s’assurer qu’il n’y a pas de rejet du tissu étranger. Mais le professeur Koch affirme que l’objectif ultime est d’habituer les cellules propres à un individu à imprimer une nouvelle peau, évitant ainsi les problèmes de rejet.

Jusqu’à présent, tous les tissus vivants bio-imprimés étaient extrêmement fins parce que les scientifiques n’avaient pas encore trouvé comment faire passer les nutriments des strates extérieures vers
les strates intérieures des tissus. « Le tissu cutané fait 250 microns d’épaisseur », explique L. Koch. « Si vous voulez obtenir un tissu plus épais, il faut des vaisseaux sanguins, sinon les cellules mourront. »

 
Lorsqu’il sera possible d’imprimer de la peau humaine plus épaisse par bio-impression, le développement du marché mondial de la cosmétique – qui représente un budget annuel de US$265 milliards – sera favorisé grâce aux tests de nouveaux produits de beauté (pour la sécurité et les réactions cutanées) sans recours aux essais sur animaux, d’ailleurs interdits en Europe. Les entreprises cosmétiques apportent donc un important soutien financier aux recherches sur la bio-impression. Fin 2013, L’Oréal a conclu un accord avec Organovo afin d’exploiter l’utilisation de la peau 3D pour tester ses produits de soins dermatologiques.

L’industrie pharmaceutique devrait représenter une autre source importante de financement. Chaque année plus de US$5 milliards investis dans le développement de nouveaux médicaments sont gaspillés lorsque ceux-ci ne passent pas la dernière étape des essais sur l’homme, pour cause de toxicité hépatique.

Murphy said his firm expects to introduce a 3D liver by the end of 2014 that can be used to test drugs in the laboratory at an early stage, replacing less accurate tests on cells in a petri dish.

K. Murphy affirme que sa société devrait être en mesure de présenter d’ici fin 2014 un foie en 3D qui pourrait être utilisé pour tester des médicaments en laboratoire à un stade précoce, remplaçant ainsi des tests moins précis sur des cellules en culture dans une boîte de Pétri. Dans cette boîte, les cellules ne pouvant survivre que deux jours, les tests ne reproduisent pas l’effet cumulatif de doses répétées sur des périodes prolongées, comme c’est l’usage chez l’homme. Mais avec le foie en 3D d’Organovo, les médicaments peuvent être testés par doses répétées, ce qui donnera aux chercheurs des indications plus précises sur la toxicité hépatique à un stade avancé du développement du médicament. Les investissements réalisés dans des médicaments voués à l’échec seront réduits et les effets secondaires négatifs lors des essais sur l’homme seront évités.

TERRAIN FERTILE

Des scientifiques de l’université de Columbia (New York) travaillent à la création de dents et d’articulations bio-imprimés, en théorie plus faciles à entretenir car ne nécessitent pas d’être alimentés par des vaisseaux sanguins. L’équipe de Columbia a, par exemple, implanté une incisive créée à partir d’une structure 3D imprimée dans la mâchoire d’un rat. En deux mois, l’implant a permis la croissance de ligaments parodontaux et d’os nouvellement formés. L’équipe de chercheurs a également implanté des os de hanches bio-imprimés sur des lapins, qui ont commencé à marcher avec leurs nouvelles articulations en quelques semaines.

Il existe quatre niveaux de complexité pour les tissus : le niveau le plus simple rassemble les structures plates, comme la peau ; viennent ensuite les structures tubulaires comme les vaisseaux sanguins ; 
puis les organes creux comme l’estomac ou la vessie ; enfin, les plus difficiles à reproduire, les organes solides comme le cœur ou les reins, qui comportent de nombreux types de cellules différentes. Pour produire des organes solides, les scientifiques doivent trouver le moyen d’apporter des nutriments aux cellules par des vaisseaux sanguins de taille variable. Comme le souligne L. Koch, dans l’état actuel des connaissances, lorsque l’organe est imprimé, les strates extérieures commenceraient à mourir faute de nourriture.

« Il existe un grand potentiel et de nombreux besoins, en particulier dans le domaine pharmaceutique », affirme L. Koch. « Fabriquer des organes épais et complexes prendra du temps, mais créer des tissus de l’ordre d’un millimètre d’épaisseur dans la plus petite des trois dimensions sera possible plus tôt. Nous souhaitons tester ceci lors d’essais cliniques sur l’homme d’ici cinq ans. »◆

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