Ces dernières années, l’impression 3D a connu un véritable essor dans le domaine de la santé. Les dispositifs médicaux ou prothèses sur mesure ont été les premières applications de cette nouvelle technologie. En 2011, une mâchoire en titane, imprimée en 3D, était implantée pour la première fois. Deux ans plus tard, une femme de 22 ans aux Pays-Bas recevait une prothèse de crâne (la plus grande jamais posée). Mais qu’en est-il de la bio-impression, c’est-à-dire l’impression de matière vivante cellulaire dans l’optique de réaliser des tissus biologiques fonctionnels ? Comment bio-imprimer des structures cellulaires 3D avec un laser? Que peut-on imprimer actuellement avec les techniques existantes?

Outre les dispositifs médicaux réalisés à partir de matières inertes, les chercheurs se sont lancés un défi d’une toute autre nature : La Bio-impression consiste à imprimer de la matière vivante cellulaire !

Contrairement à l’impression classique 3D, la Bio-impression implique de considérer une 4ème dimension : la dimension temporelle au cours de laquelle les cellules imprimées vont s’organiser, migrer et se différencier de manière autonome pour former des tissus fonctionnels.

Bio-imprimante 3D © Inserm/ Guillemot, Fabien – Alphanov / Lescieux, Ludovic

La Bio-impression Laser à Bordeaux, une approche innovante

Le laboratoire « Bio-ingénierie tissulaire » (Unité Inserm 1026) développe des technologies Laser et de micro-fabrication en vue d’imprimer des tissus in vitro et in vivo. Cette unité mixte de recherche de l’Inserm et de l’Université de Bordeaux est l’une des seules au monde à utiliser ce procédé. Les travaux de Fabien Guillemot, chargé de recherche Inserm, et de son équipe ont donc fait figure de pionniers en Europe : dès 2005, ils ont permis de développer la Bio-impression assistée par Laser. L’objectif de l’équipe de Fabien Guillemot n’est pas seulement de positionner les cellules en 3D mais de définir et modéliser la dynamique d’auto organisation des cellules imprimées.

Quels résultats avec la Bio-impression assistée par Laser?

En laboratoire, la Bio-impression utilise les principes de l’impression 3D, et procède ainsi à l’assemblage couche par couche des constituants des tissus biologiques (tels que les cellules et la matrice extracellulaire) selon des organisations prédéfinies par conception numérique.

Cette technologie permet la fabrication de tissus complexes grâce à l’impression d’encres biologiques dont les concentrations cellulaires sont voisines des conditions physiologiques et ce, avec une très haute résolution et une vitesse d’exécution élevée (> 10 000 gouttelettes par seconde).

« Dans le domaine de la Bio-impression, la technologie Laser est celle qui offre la résolution la plus élevée » explique Fabien Guillemot, chargé de recherche Inserm.

Depuis 2005, l’équipe de recherche est parvenue à imprimer différentes structures et types cellulaires : des multicouches de kératinocytes (cellules de la couche superficielle de la peau et des phanères : ongles, poils, cheveux) et de collagène.

Impression de peau réalisée en juin 2014
© Ludovic Lescieux Alphanov / Fabien Guillemot Inserm.

Les cellules imprimées sont viables (97% de viabilité après 6h) et les chercheurs ont confirmé que la Bio-impression n’affectait pas la différenciation cellulaire dans le cas d’impression de cellules souches humaines adultes.

Actuellement, les chercheurs travaillent sur l’impression de tissus de cornée et de la peau afin de répondre aux besoins de la médecine régénératrice, de la pharmacologie, de la cosmétique.

En parallèle, l’équipe de recherche mène également des expériences in vivo sur des souris. Elle est parvenue en 2010 à imprimer des cellules souches mésenchymateuses directement dans l’os de souris vivantes. La prochaine étape consiste à tester une chirurgie assistée par ordinateur qui permettrait d’imprimer des tissus in vivo directement à l’endroit même où cela est nécessaire.

Quelles perspectives pour demain?

La Bio-impression a pour objectifs de concevoir des tissus fonctionnels dans le but de créer :

• Dans l’immédiat, des modèles prédictifs reproduisant la physiologie de tissus humains sains ou de tissus pathologiques permettant de tester de manière plus prédictive des molécules, ingrédients et candidats médicaments. Ces modèles physiologiques seront utilisés dans le domaine pharmaceutique.
  
  

• D’ici 3 à 5 ans, des tissus individualisés, réalisés à partir des cellules du patient, permettant de sélectionner in vitro sur ces tissus les traitements et de développer des solutions thérapeutiques personnalisées. L’équipe de Fabien Guillemot a pour ambition d’inscrire la Bio-impression dans les développements du nouveau plan cancer qui concernent notamment la médecine individualisée.  Dans le domaine du cancer par exemple, il pourrait être possible grâce à la reconstruction en 3D des tissus du patient eux mêmes (en tenant compte de l’environnement cellulaire de la tumeur) ,de savoir s’il réagira bien ou non à telle ou telle chimiothérapie.
  
  

• D’ici 7 à 10 ans, des tissus implantables pour la médecine régénératrice. Le développement et la fabrication de tissus biologiques représentent des enjeux socio-économiques majeurs. Le marché de l’ingénierie tissulaire est évalué à 15 Milliards de dollars en 2014 et devrait doubler d’ici 2018 (source : MedMarket Diligence, LLC.). Aussi, du fait de l’allongement de la durée de la vie et de l’incidence de pathologies majeures telles que le cancer et le diabète, le nombre de personnes en attente d’une greffe d’organe est en constante augmentation (51 000 personnes en Europe en 2013).

Malgré les avancées des recherches, il n’est actuellement pas possible d’imprimer des organes fonctionnels.

« Quand les chercheurs pourront créer des tissus fonctionnels, ils seront alors capables de modifier ces tissus pour les améliorer. Le débat éthique sera nécessaire pour savoir dans quelles mesures la modification des tissus sera possible et à quelles fins » (Fabien Guillemot)