Création de tissus - Tissue engineering

Au cours de la dernière décennie dans le domaine de l'ingénierie tissulaire, de nouvelles sources cellulaires, matériaux d'ingénierie et techniques d'architecture tissulaire ont fourni des tissus d'ingénierie qui restaurent, maintiennent, améliorent ou remplacent mieux les tissus biologiques.

Le génie tissulaire est une discipline du génie biomédical qui utilise une combinaison de cellules , d' ingénierie , de méthodes de matériaux et de facteurs biochimiques et physicochimiques appropriés pour restaurer, maintenir, améliorer ou remplacer différents types de tissus biologiques . L'ingénierie tissulaire implique souvent l'utilisation de cellules placées sur des échafaudages tissulaires dans la formation de nouveaux tissus viables à des fins médicales, mais n'est pas limitée aux applications impliquant des cellules et des échafaudages tissulaires. Alors qu'il était autrefois classé comme un sous-domaine des biomatériaux , ayant pris de l'ampleur et de l'importance, il peut être considéré comme un domaine à part entière.

Qu'est-ce que l'ingénierie tissulaire et comment cela fonctionne

Alors que la plupart des définitions de l'ingénierie tissulaire couvrent un large éventail d'applications, dans la pratique, le terme est étroitement associé à des applications qui réparent ou remplacent des parties ou des tissus entiers (c'est-à-dire les os , le cartilage , les vaisseaux sanguins , la vessie , la peau , les muscles, etc.). Souvent, les tissus impliqués nécessitent certaines propriétés mécaniques et structurelles pour un bon fonctionnement. Le terme a également été appliqué aux efforts visant à exécuter des fonctions biochimiques spécifiques en utilisant des cellules au sein d'un système de soutien créé artificiellement (par exemple, un pancréas artificiel ou un foie bio artificiel ). Le terme médecine régénérative est souvent utilisé comme synonyme d'ingénierie tissulaire, bien que les personnes impliquées dans la médecine régénérative mettent davantage l'accent sur l'utilisation de cellules souches ou de cellules progénitrices pour produire des tissus.

Aperçu

Cultures en micro-masse de cellules C3H-10T1/2 à diverses tensions d'oxygène colorées au bleu alcian

Une définition couramment appliquée de l'ingénierie tissulaire, telle qu'énoncée par Langer et Vacanti, est « un domaine interdisciplinaire qui applique les principes de l'ingénierie et des sciences de la vie au développement de substituts biologiques qui restaurent, maintiennent ou améliorent la fonction [des tissus biologiques] ou un tout organe". En outre, Langer et Vacanti indiquent également qu'il existe trois principaux types d'ingénierie tissulaire : les cellules, les substances inductrices de tissus et une approche cellules + matrice (souvent appelée échafaudage). L'ingénierie tissulaire a également été définie comme « comprendre les principes de la croissance tissulaire et l'appliquer pour produire un tissu de remplacement fonctionnel à usage clinique ». Une autre description poursuit en disant qu'une "supposition sous-jacente de l'ingénierie tissulaire est que l'emploi de la biologie naturelle du système permettra un plus grand succès dans le développement de stratégies thérapeutiques visant le remplacement, la réparation, l'entretien ou l'amélioration de la fonction tissulaire".

Les développements dans le domaine multidisciplinaire de l'ingénierie tissulaire ont abouti à un nouvel ensemble de pièces de remplacement de tissus et de stratégies de mise en œuvre. Les progrès scientifiques dans les biomatériaux , les cellules souches, les facteurs de croissance et de différenciation et les environnements biomimétiques ont créé des opportunités uniques pour fabriquer ou améliorer des tissus existants en laboratoire à partir de combinaisons de matrices extracellulaires modifiées ("échafaudages"), de cellules et de molécules biologiquement actives. L'un des principaux défis auxquels l'ingénierie tissulaire est actuellement confrontée est le besoin d'une fonctionnalité, d'une stabilité biomécanique et d'une vascularisation plus complexes dans les tissus cultivés en laboratoire destinés à la transplantation. Le succès continu de l'ingénierie tissulaire et le développement éventuel de véritables pièces de rechange humaines proviendront de la convergence des progrès de l'ingénierie et de la recherche fondamentale dans les tissus, les matrices, les facteurs de croissance, les cellules souches et la biologie du développement, ainsi que la science des matériaux et la bioinformatique !

En 2003, la NSF a publié un rapport intitulé « L'émergence du génie tissulaire en tant que domaine de recherche », qui donne une description approfondie de l'histoire de ce domaine.

Étymologie

Les origines historiques du terme ne sont pas claires car la définition du mot a changé au cours des dernières décennies. Le terme est apparu pour la première fois dans une publication de 1984 qui décrivait l'organisation d'une membrane de type endothélium à la surface d'une prothèse ophtalmique synthétique longuement implantée.

La première utilisation moderne du terme tel qu'il est reconnu aujourd'hui était en 1985 par le chercheur, physiologiste et bio-ingénieur YC Fung du Engineering Research Center. Il a proposé la fusion des termes tissu (en référence à la relation fondamentale entre les cellules et les organes) et ingénierie (en référence au domaine de la modification desdits tissus). Le terme a été officiellement adopté en 1987.

Histoire

Ère antique (avant le XVIIe siècle)

Une compréhension rudimentaire du fonctionnement interne des tissus humains peut remonter à plus loin que ce à quoi la plupart pourraient s'attendre. Dès la période néolithique, les sutures étaient utilisées pour refermer les plaies et aider à la cicatrisation. Plus tard, des sociétés telles que l'Égypte ancienne ont développé de meilleurs matériaux pour coudre des plaies telles que des sutures en lin. Vers 2500 av. Les anciens Égyptiens greffaient souvent la peau de cadavres sur des humains vivants et tentaient même d'utiliser le miel comme type d'antibiotique et la graisse comme barrière protectrice pour prévenir l'infection. Aux Ier et IIe siècles de notre ère, les Gallo-Romains ont développé des implants en fer forgé et des implants dentaires ont pu être trouvés chez les anciens Mayas.

Lumières (17e siècle-19e siècle)

Alors que ces sociétés anciennes avaient développé des techniques très en avance sur leur temps, elles manquaient encore de compréhension mécaniste de la façon dont le corps réagissait à ces procédures. Cette approche mécaniste est venue en tandem avec le développement de la méthode empirique de la science initiée par René Descartes. Sir Isaac Newton a commencé à décrire le corps comme une « machine physiochimique » et a affirmé que la maladie était une panne de la machine. Au XVIIe siècle, Robert Hooke découvre la cellule et une lettre de Benedict de Spinoza avance l'idée de l'homéostasie entre les processus dynamiques du corps. Les expériences sur Hydra réalisées par Abraham Trembley au XVIIIe siècle ont commencé à explorer les capacités de régénération des cellules. Au cours du XIXe siècle, une meilleure compréhension de la réaction des différents métaux avec le corps a conduit au développement de meilleures sutures et à une évolution vers les implants à vis et à plaques dans la fixation osseuse. De plus, il a été émis l'hypothèse pour la première fois au milieu des années 1800 que les interactions cellule-environnement et la prolifération cellulaire étaient vitales pour la régénération des tissus.

Epoque moderne (20e et 21e siècles)

Au fur et à mesure que le temps passe et que la technologie avance, il y a un besoin constant de changement dans l'approche que les chercheurs adoptent dans leurs études. L'ingénierie tissulaire a continué d'évoluer au fil des siècles. Au début, les gens regardaient et utilisaient des échantillons directement de cadavres humains ou animaux. Désormais, les ingénieurs tissulaires ont la capacité de recréer de nombreux tissus du corps grâce à l'utilisation de techniques modernes telles que la microfabrication et la bio-impression tridimensionnelle en conjonction avec des cellules tissulaires/cellules souches natives. Ces avancées ont permis aux chercheurs de générer de nouveaux tissus de manière beaucoup plus efficace. Par exemple, ces techniques permettent une plus grande personnalisation qui permet une meilleure biocompatibilité, une diminution de la réponse immunitaire, une intégration cellulaire et une longévité. Il ne fait aucun doute que ces techniques continueront d'évoluer, car nous avons continué à voir évoluer la microfabrication et la bio-impression au cours de la dernière décennie.

En 1960, Wichterle et Lim ont été les premiers à publier des expériences sur les hydrogels pour des applications biomédicales en les utilisant dans la construction de lentilles de contact. Les travaux sur le terrain se sont développés lentement au cours des deux décennies suivantes, mais ont ensuite trouvé du chemin lorsque les hydrogels ont été réutilisés pour l'administration de médicaments. En 1984, Charles Hull a développé la bioimpression en convertissant une imprimante à jet d'encre Hewlett-Packard en un appareil capable de déposer des cellules en 2D. L'impression tridimensionnelle (3D) est un type de fabrication additive qui a depuis trouvé diverses applications en génie médical, en raison de sa haute précision et de son efficacité. Avec le développement par le biologiste James Thompson des premières lignées de cellules souches humaines en 1998, suivi de la transplantation des premiers organes internes cultivés en laboratoire en 1999 et de la création de la première bioimprimante en 2003 par l'Université du Missouri lorsqu'ils ont imprimé des sphéroïdes sans avoir besoin d'échafaudages, 3- La bioimpression D est devenue plus conventionnelle que jamais utilisée dans le domaine médical. Jusqu'à présent, les scientifiques ont pu imprimer des mini organoïdes et des organes sur puces qui ont fourni des informations pratiques sur les fonctions d'un corps humain. Les sociétés pharmaceutiques utilisent ces modèles pour tester des médicaments avant de passer aux études sur les animaux. Cependant, un organe entièrement fonctionnel et structurellement similaire n'a pas encore été imprimé. Une équipe de l'Université de l'Utah aurait imprimé des oreilles et les aurait transplantées avec succès sur des enfants nés avec des défauts qui ont laissé leurs oreilles partiellement développées.

Aujourd'hui, les hydrogels sont considérés comme le choix préféré des bioencres pour la bioimpression 3D, car ils imitent l'ECM naturel des cellules tout en contenant également de fortes propriétés mécaniques capables de soutenir les structures 3D. De plus, les hydrogels associés à la bio-impression 3D permettent aux chercheurs de produire différents échafaudages pouvant être utilisés pour former de nouveaux tissus ou organes. Les tissus imprimés en 3D sont encore confrontés à de nombreux défis tels que l'ajout de système vasculaire. Pendant ce temps, l'impression 3D de parties de tissus améliorera certainement notre compréhension du corps humain, accélérant ainsi la recherche fondamentale et clinique.

Exemples

Régénérer une oreille humaine à l'aide d'un échafaudage

Tels que définis par Langer et Vacanti, les exemples d'ingénierie tissulaire appartiennent à une ou plusieurs des trois catégories suivantes : « uniquement des cellules », « cellules et échafaudage » ou « facteurs d'induction tissulaire ».

  • Viande in vitro : Tissu musculaire animal artificiel comestible cultivé in vitro .
  • Dispositif hépatique bioartificiel , « foie temporaire », dispositif d'assistance hépatique extracorporelle (ELAD) : la lignée cellulaire d' hépatocytes humains (lignée C3A) dans un bioréacteur à fibres creuses peut imiter la fonction hépatique du foie pour les cas aigus d'insuffisance hépatique. Un ELAD pleinement capable fonctionnerait temporairement comme le foie d'un individu, évitant ainsi la transplantation et permettant la régénération de son propre foie.
  • Pancréas artificiel : La recherche consiste à utiliser les cellules des îlots de Langerhans pour réguler la glycémie de l'organisme, notamment en cas de diabète . Des facteurs biochimiques peuvent être utilisés pour amener les cellules souches pluripotentes humaines à différencier (se transformer en) cellules qui fonctionnent de la même manière que les cellules bêta , qui se trouvent dans une cellule des îlots de Langerhans chargée de produire de l' insuline .
  • Vessie artificielle : Anthony Atala ( Wake Forest University ) a implanté avec succès des vessies artificielles, constituées de cellules cultivées ensemencées sur un échafaudage en forme de vessie, chez sept des 20 sujets humains testés dans le cadre d'une expérience à long terme .
  • Cartilage : du cartilage cultivé en laboratoire, cultivé in vitro sur un échafaudage, a été utilisé avec succès comme greffe autologue pour réparer les genoux des patients.
  • Cartilage sans échafaudage : Cartilage généré sans l'utilisation de matériau d'échafaudage exogène. Dans cette méthodologie, tout le matériel dans la construction est cellulaire produit directement par les cellules.
  • Cœur bioartificiel : Le laboratoire de Doris Taylor a construit un cœur de rat biocompatible en re-cellularisant un cœur de rat décellularisé. Cet échafaudage et ces cellules ont été placés dans un bioréacteur , où ils ont mûri pour devenir un organe partiellement ou entièrement transplantable. le travail a été appelé un "point de repère". Le laboratoire a d'abord retiré les cellules d'un cœur de rat (un processus appelé « décellularisation »), puis a injecté des cellules souches de rat dans le cœur de rat décellularisé.
  • Vaisseaux sanguins issus de l'ingénierie tissulaire : vaisseaux sanguins qui ont été cultivés en laboratoire et qui peuvent être utilisés pour réparer les vaisseaux sanguins endommagés sans déclencher de réponse immunitaire .
  • Peau artificielle construite à partir de cellules de peau humaine intégrées dans un hydrogel , comme dans le cas des constructions bio-imprimées pour les réparations de brûlures sur le champ de bataille.
  • Artificielle moelle osseuse : moelle osseuse en culture in vitro à transplanter sert une approche « seulement des cellules » à l' ingénierie tissulaire.
  • Os d'ingénierie tissulaire : une matrice structurelle peut être composée de métaux tels que le titane, de polymères à taux de dégradation variables ou de certains types de céramiques. Les matériaux sont souvent choisis pour recruter des ostéoblastes afin d'aider à reformer l'os et à rétablir la fonction biologique. Divers types de cellules peuvent être ajoutés directement dans la matrice pour accélérer le processus.
  • Pénis cultivé en laboratoire : Des échafaudages décellularisés de pénis de lapin ont été recellularisés avec des cellules musculaires lisses et endothéliales. L'organe a ensuite été transplanté sur des lapins vivants et a fonctionné de manière comparable à l'organe natif, suggérant un potentiel de traitement pour les traumatismes génitaux .
  • L'ingénierie tissulaire de la muqueuse buccale utilise une approche de cellules et d'échafaudage pour reproduire la structure et la fonction tridimensionnelles de la muqueuse buccale .

Les cellules comme blocs de construction

Cellules colorées en culture

Les cellules sont l'une des principales composantes du succès des approches d'ingénierie tissulaire. L'ingénierie tissulaire utilise les cellules comme stratégies de création/remplacement de nouveaux tissus. Les exemples incluent les fibroblastes utilisés pour la réparation ou le renouvellement de la peau, les chondrocytes utilisés pour la réparation du cartilage (produit approuvé MACI-FDA) et les hépatocytes utilisés dans les systèmes de soutien du foie

Les cellules peuvent être utilisées seules ou avec des matrices de support pour les applications d'ingénierie tissulaire. Un environnement adéquat pour favoriser la croissance cellulaire, la différenciation et l'intégration avec le tissu existant est un facteur critique pour les blocs de construction cellulaires. La manipulation de l'un de ces processus cellulaires crée des voies alternatives pour le développement de nouveaux tissus (par exemple, la reprogrammation des cellules somatiques, la vascularisation).

Isolation

Les techniques d'isolement cellulaire dépendent de la source cellulaire. La centrifugation et l'aphérèse sont des techniques utilisées pour extraire des cellules de biofluides (par exemple, le sang). Alors que les processus de digestion, utilisant généralement des enzymes pour éliminer la matrice extracellulaire (MEC), sont nécessaires avant les techniques de centrifugation ou d'aphérèse pour extraire les cellules des tissus/organes. La trypsine et la collagénase sont les enzymes les plus couramment utilisées pour la digestion des tissus. Alors que la trypsine dépend de la température, la collagénase est moins sensible aux changements de température.

Sources cellulaires

Cellules souches embryonnaires de souris

Les cellules primaires sont celles directement isolées du tissu hôte. Ces cellules fournissent un modèle ex-vivo de comportement cellulaire sans aucun changement génétique, épigénétique ou développemental ; ce qui en fait une réplication plus proche des conditions in vivo que les cellules dérivées d'autres méthodes. Cette contrainte peut cependant rendre leur étude difficile. Ce sont des cellules matures, souvent différenciées en phase terminale, ce qui signifie que pour de nombreux types de cellules, la prolifération est difficile voire impossible. De plus, les microenvironnements dans lesquels ces cellules existent sont hautement spécialisés, ce qui rend souvent la réplication de ces conditions difficile.

Cellules secondaires Une partie des cellules d'une culture primaire est déplacée vers un nouveau référentiel/récipient pour continuer à être cultivée. Le milieu de la culture primaire est retiré, les cellules que l'on souhaite transférer sont obtenues, puis cultivées dans un nouveau récipient avec du milieu de croissance frais. Une culture cellulaire secondaire est utile pour s'assurer que les cellules ont à la fois l'espace et les nutriments dont elles ont besoin pour se développer. Les cultures secondaires sont notamment utilisées dans tout scénario dans lequel une plus grande quantité de cellules que celle pouvant être trouvée dans la culture primaire est souhaitée. Les cellules secondaires partagent les contraintes des cellules primaires (voir ci-dessus) mais présentent un risque supplémentaire de contamination lors du transfert dans un nouveau récipient.

Classifications génétiques des cellules

Autologue : Le donneur et le receveur des cellules sont le même individu. Les cellules sont récoltées, cultivées ou stockées, puis réintroduites dans l'hôte. En raison de la réintroduction des propres cellules de l'hôte, aucune réponse antigénique n'est déclenchée. Le système immunitaire du corps reconnaît ces cellules réimplantées comme les siennes et ne les cible pas pour une attaque. La dépendance des cellules autologues vis-à-vis de la santé des cellules hôtes et la morbidité du site donneur peuvent être dissuasives pour leur utilisation. Les cellules souches mésenchymateuses dérivées de tissus adipeux et de moelle osseuse sont généralement de nature autologue et peuvent être utilisées de multiples façons, allant de la réparation du tissu squelettique à la reconstitution des cellules bêta chez les patients diabétiques.

Allogénique : Les cellules sont obtenues à partir du corps d'un donneur de la même espèce que le receveur. Bien qu'il existe certaines contraintes éthiques à l'utilisation de cellules humaines pour les études in vitro (c'est-à-dire le développement de chimères de tissus cérébraux humains), l'utilisation de fibroblastes dermiques de prépuce humain démontre un choix immunologiquement sûr et donc viable pour l'ingénierie tissulaire allogénique de la peau.

Xénogénique : Ces cellules sont dérivées de cellules isolées d'espèces alternatives du receveur. Un exemple notable d'utilisation de tissus xénogéniques est la construction d'implants cardiovasculaires via des cellules animales. L'élevage chimérique homme-animal soulève des préoccupations éthiques concernant le potentiel d'amélioration de la conscience résultant de l'implantation d'organes humains chez les animaux.

Syngénique ou isogénique : Ces cellules décrivent celles issues d'un code génétique identique. Cela confère un avantage immunologique similaire aux lignées cellulaires autologues (voir ci-dessus). Les cellules autologues peuvent être considérées comme syngéniques, mais la classification s'étend également aux cellules non autologues telles que celles d'un jumeau identique, de modèles de recherche génétiquement identiques (clonés) ou de cellules souches induites (iSC) liées au donneur.

Cellules souches

Les cellules souches sont des cellules indifférenciées ayant la capacité de se diviser en culture et de donner naissance à différentes formes de cellules spécialisées. Les cellules souches sont divisées en cellules souches « adultes » et « embryonnaires » selon leur source. Bien qu'il existe encore un vaste débat éthique lié à l'utilisation des cellules souches embryonnaires, on pense qu'une autre source alternative - les cellules souches pluripotentes induites  - peut être utile pour la réparation des tissus malades ou endommagés, ou peut être utilisée pour développer de nouveaux organes .

Les cellules totipotentes sont des cellules souches qui peuvent se diviser en d'autres cellules souches ou se différencier en n'importe quel type de cellule dans le corps, y compris le tissu extra-embryonnaire.

Les cellules pluripotentes sont des cellules souches qui peuvent se différencier en n'importe quel type cellulaire dans le corps, à l'exception du tissu extra-embryonnaire. Les cellules souches pluripotentes induites (iPSCs) sont une sous-classe de cellules souches pluripotentes ressemblant aux cellules souches embryonnaires (ESCs) qui ont été dérivées de cellules différenciées adultes. Les iPSC sont créées en modifiant l'expression de facteurs de transcription dans les cellules adultes jusqu'à ce qu'elles deviennent comme des cellules souches embryonnaires. Depuis novembre 2020, une méthode populaire consiste à utiliser des rétrovirus modifiés pour introduire des gènes spécifiques dans le génome des cellules adultes afin de les induire à un état de type cellule souche embryonnaire.

Les cellules souches multipotentes peuvent être différenciées en n'importe quelle cellule de la même classe, comme le sang ou les os . Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sontun exemple courant de cellules multipotentes.

Échafaudages

Les échafaudages sont des matériaux qui ont été conçus pour provoquer des interactions cellulaires souhaitables afin de contribuer à la formation de nouveaux tissus fonctionnels à des fins médicales. Les cellules sont souvent « ensemencées » dans ces structures capables de soutenir la formation de tissus tridimensionnels . Les échafaudages imitent la matrice extracellulaire du tissu natif, récapitulant le milieu in vivo et permettant aux cellules d'influencer leurs propres microenvironnements. Ils servent généralement au moins l'un des objectifs suivants : permettre la fixation et la migration des cellules, délivrer et retenir les cellules et les facteurs biochimiques, permettre la diffusion des nutriments cellulaires vitaux et des produits exprimés, exercer certaines influences mécaniques et biologiques pour modifier le comportement de la phase cellulaire.

En 2009, une équipe interdisciplinaire dirigée par le chirurgien thoracique Thorsten Walles a implanté avec succès la première greffe bioartificielle qui fournit un réseau vasculaire inné pour l'approvisionnement en greffe post-greffe chez un patient en attente de reconstruction trachéale.

Cette animation d'un nanotube de carbone en rotation montre sa structure 3D. Les nanotubes de carbone sont parmi les nombreux candidats pour les échafaudages d'ingénierie tissulaire car ils sont biocompatibles , résistants à la biodégradation et peuvent être fonctionnalisés avec des biomolécules . Cependant, la possibilité d'une toxicité avec des nanomatériaux non biodégradables n'est pas entièrement comprise.

Pour atteindre l'objectif de reconstruction tissulaire, les échafaudages doivent répondre à certaines exigences spécifiques. Une porosité élevée et une taille de pores adéquate sont nécessaires pour faciliter l'ensemencement cellulaire et la diffusion dans toute la structure des cellules et des nutriments. La biodégradabilité est souvent un facteur essentiel puisque les échafaudages doivent de préférence être absorbés par les tissus environnants sans qu'il soit nécessaire de procéder à une ablation chirurgicale. La vitesse à laquelle la dégradation se produit doit coïncider autant que possible avec la vitesse de formation des tissus : cela signifie que pendant que les cellules fabriquent leur propre structure matricielle naturelle autour d'elles, l'échafaudage est capable de fournir une intégrité structurelle au sein du corps et, finalement, il se décomposent en laissant le tissu nouvellement formé qui va reprendre la charge mécanique. L'injectabilité est également importante pour les utilisations cliniques. Des recherches récentes sur l'impression d'organes montrent à quel point une bonne maîtrise de l'environnement 3D est cruciale pour assurer la reproductibilité des expériences et offrir de meilleurs résultats.

Matériaux

La sélection des matériaux est un aspect essentiel de la production d'un échafaudage. Les matériaux utilisés peuvent être naturels ou synthétiques et peuvent être biodégradables ou non biodégradables. De plus, ils doivent être biocompatibles, ce qui signifie qu'ils ne provoquent aucun effet indésirable sur les cellules. Le silicone, par exemple, est un matériau synthétique non biodégradable couramment utilisé comme matériau d'administration de médicaments, tandis que la gélatine est un matériau naturel biodégradable couramment utilisé dans les échafaudages de culture cellulaire.

Le matériau nécessaire pour chaque application est différent et dépend des propriétés mécaniques souhaitées du matériau. L'ingénierie tissulaire de l'os, par exemple, nécessitera un échafaudage beaucoup plus rigide par rapport à un échafaudage pour la régénération de la peau.

Il existe quelques matériaux synthétiques polyvalents utilisés pour de nombreuses applications d'échafaudage différentes. L'un de ces matériaux couramment utilisés est l'acide polylactique (PLA), un polymère synthétique. PLA – acide polylactique. Il s'agit d'un polyester qui se dégrade dans le corps humain pour former de l'acide lactique , un produit chimique naturel qui est facilement éliminé du corps. Des matériaux similaires sont l' acide polyglycolique (PGA) et la polycaprolactone (PCL) : leur mécanisme de dégradation est similaire à celui du PLA, mais le PCL se dégrade plus lentement et le PGA se dégrade plus rapidement. Le PLA est généralement associé au PGA pour créer de l'acide poly-lactique-co-glycolique (PLGA). Ceci est particulièrement utile car la dégradation du PLGA peut être adaptée en modifiant les pourcentages en poids de PLA et de PGA : Plus de PLA – dégradation plus lente, plus de PGA – dégradation plus rapide. Cette accordabilité, ainsi que sa biocompatibilité, en font un matériau extrêmement utile pour la création d'échafaudages.

Les échafaudages peuvent également être construits à partir de matériaux naturels : en particulier différents dérivés de la matrice extracellulaire ont été étudiés pour évaluer leur capacité à soutenir la croissance cellulaire. Les matériaux à base de protéines - tels que le collagène ou la fibrine , et les matériaux polysaccharidiques - comme le chitosane ou les glycosaminoglycanes (GAG), se sont tous avérés appropriés en termes de compatibilité cellulaire. Parmi les GAG, l'acide hyaluronique , éventuellement en combinaison avec des agents de réticulation (par exemple le glutaraldéhyde , le carbodiimide hydrosoluble , etc.), est l'un des choix possibles comme matériau d'échafaudage. Une autre forme d'échafaudage est le tissu décellularisé. Il s'agit d'un processus où des produits chimiques sont utilisés pour extraire les cellules des tissus, ne laissant que la matrice extracellulaire. Cela a l'avantage d'une matrice entièrement formée spécifique au type de tissu souhaité. Cependant, l'échafaudage décellurisé peut présenter des problèmes immunitaires avec les futures cellules introduites.

Synthèse

Greffe vasculaire par ingénierie tissulaire
Valve cardiaque d'ingénierie tissulaire

Un certain nombre de procédés différents ont été décrits dans la littérature pour préparer des structures poreuses à utiliser comme échafaudages d'ingénierie tissulaire. Chacune de ces techniques présente ses propres avantages, mais aucune n'est exempte d'inconvénients.

Auto-assemblage de nanofibres

L'auto-assemblage moléculaire est l'une des rares méthodes de création de biomatériaux ayant des propriétés similaires en termes d'échelle et de chimie à celles de la matrice extracellulaire in vivo (MEC) naturelle , une étape cruciale vers l'ingénierie tissulaire des tissus complexes. De plus, ces échafaudages d'hydrogel ont montré une supériorité en toxicologie et en biocompatibilité in vivo par rapport aux macro-échafaudages traditionnels et aux matériaux d'origine animale.

Technologies textiles

Ces techniques incluent toutes les approches qui ont été employées avec succès pour la préparation de mailles non tissées de différents polymères . En particulier, des structures de polyglycolide non tissées ont été testées pour des applications d'ingénierie tissulaire : de telles structures fibreuses se sont révélées utiles pour faire croître différents types de cellules. Les principaux inconvénients sont liés aux difficultés d'obtention d'une porosité élevée et d'une taille de pores régulière.

Coulée de solvant et lixiviation particulaire

La coulée au solvant et la lixiviation particulaire (SCPL) permet la préparation de structures à porosité régulière, mais d'épaisseur limitée. Tout d'abord, le polymère est dissous dans un solvant organique approprié (par exemple, l' acide polylactique pourrait être dissous dans du dichlorométhane ), puis la solution est coulée dans un moule rempli de particules porogènes. Un tel porogène peut être un sel inorganique comme le chlorure de sodium , des cristaux de saccharose , des sphères de gélatine ou des sphères de paraffine . La taille des particules porogènes affectera la taille des pores de l'échafaudage, tandis que le rapport polymère sur porogène est directement corrélé à la quantité de porosité de la structure finale. Après coulée de la solution de polymère, on laisse s'évaporer complètement le solvant, puis la structure composite dans le moule est immergée dans un bain d'un liquide apte à dissoudre le porogène : eau dans le cas du chlorure de sodium, du saccharose et de la gélatine ou un aliphatique solvant comme l' hexane pour une utilisation avec de la paraffine. Une fois le porogène complètement dissous, une structure poreuse est obtenue. Outre la faible plage d'épaisseur pouvant être obtenue, un autre inconvénient du SCPL réside dans son utilisation de solvants organiques qui doivent être totalement éliminés pour éviter tout dommage éventuel aux cellules ensemencées sur l'échafaudage.

Moussage au gaz

Pour surmonter le besoin d'utiliser des solvants organiques et des porogènes solides, une technique utilisant le gaz comme porogène a été développée. Tout d'abord, des structures en forme de disque constituées du polymère souhaité sont préparées au moyen d'un moulage par compression à l'aide d'un moule chauffé. Les disques sont ensuite placés dans une enceinte où ils sont exposés au CO 2 à haute pression pendant plusieurs jours. La pression à l'intérieur de la chambre est progressivement ramenée aux niveaux atmosphériques. Au cours de cette procédure, les pores sont formés par les molécules de dioxyde de carbone qui abandonnent le polymère, ce qui donne une structure spongieuse. Les principaux problèmes résultant d'une telle technique sont causés par la chaleur excessive utilisée lors du moulage par compression (qui interdit l'incorporation de tout matériau labile en température dans la matrice polymère) et par le fait que les pores ne forment pas une structure interconnectée.

Emulsification Lyophilisation

Cette technique ne nécessite pas l'utilisation d'un porogène solide comme le SCPL. Tout d'abord, un polymère synthétique est dissous dans un solvant approprié (par exemple de l'acide polylactique dans du dichlorométhane), puis de l'eau est ajoutée à la solution polymère et les deux liquides sont mélangés afin d'obtenir une émulsion . Avant que les deux phases puissent se séparer, l'émulsion est coulée dans un moule et rapidement congelée par immersion dans l' azote liquide . L'émulsion congelée est ensuite lyophilisée pour éliminer l'eau dispersée et le solvant, laissant ainsi une structure polymère poreuse solidifiée. Bien que l'émulsification et la lyophilisation permettent une préparation plus rapide par rapport au SCPL (puisqu'il ne nécessite pas une étape de lixiviation longue), il nécessite toujours l'utilisation de solvants. De plus, la taille des pores est relativement petite et la porosité est souvent irrégulière. La lyophilisation en elle-même est également une technique couramment utilisée pour la fabrication d'échafaudages. En particulier, il est utilisé pour préparer des éponges de collagène : le collagène est dissous dans des solutions acides d' acide acétique ou d'acide chlorhydrique qui sont coulées dans un moule, congelées à l'azote liquide puis lyophilisées .

Séparation de phases induite thermiquement

Semblable à la technique précédente, la procédure de séparation de phases TIPS nécessite l'utilisation d'un solvant à bas point de fusion facile à sublimer. Par exemple, le dioxane pourrait être utilisé pour dissoudre l'acide polylactique, puis une séparation de phases est induite par l'ajout d'une petite quantité d'eau : il se forme une phase riche en polymère et une phase pauvre en polymère. Après refroidissement en dessous du point de fusion du solvant et quelques jours de séchage sous vide pour sublimer le solvant, un échafaudage poreux est obtenu. La séparation des phases liquide-liquide présente les mêmes inconvénients que l'émulsification/lyophilisation.

Électrofilage

L'électrofilage est une technique très polyvalente qui peut être utilisée pour produire des fibres continues dont le diamètre varie de quelques microns à quelques nanomètres. Dans une configuration d'électrofilage typique, le matériau d'échafaudage souhaité est dissous dans un solvant et placé dans une seringue. Cette solution est alimentée par une aiguille et une haute tension est appliquée à la pointe et à une surface de collecte conductrice. L'accumulation de forces électrostatiques dans la solution l'amène à éjecter un mince flux fibreux vers la surface de collecte chargée de manière opposée ou mise à la terre. Au cours de ce processus, le solvant s'évapore, laissant des fibres solides laissant un réseau très poreux. Cette technique est hautement ajustable, avec des variations de solvant, de tension, de distance de travail (distance de l'aiguille à la surface de collecte), de débit de solution, de concentration de soluté et de surface de collecte. Cela permet un contrôle précis de la morphologie des fibres.

Sur le plan commercial cependant, pour des raisons d'évolutivité, il y a 40 ou parfois 96 aiguilles impliquées fonctionnant à la fois. Les goulots d'étranglement dans de telles configurations sont : 1) le maintien uniforme des variables susmentionnées pour toutes les aiguilles et 2) la formation de "billes" dans des fibres simples que nous, ingénieurs, voulons avoir un diamètre uniforme. En modifiant des variables telles que la distance au collecteur, l'amplitude de la tension appliquée ou le débit de la solution, les chercheurs peuvent changer radicalement l'architecture globale de l'échafaudage.

Historiquement, la recherche sur les échafaudages fibreux électrofilés remonte au moins à la fin des années 1980, lorsque Simon a montré que l'électrofilage pouvait être utilisé pour produire des échafaudages fibreux à l'échelle nanométrique et submicronique à partir de solutions polymères spécifiquement destinées à être utilisées comme substrats cellulaires et tissulaires in vitro . Cette utilisation précoce de réseaux électrofilés pour la culture cellulaire et l'ingénierie tissulaire a montré que divers types de cellules adhèrent et prolifèrent sur les fibres de polycarbonate. Il a été noté que contrairement à la morphologie aplatie typiquement observée dans la culture 2D, les cellules cultivées sur les fibres électrofilées présentaient une morphologie tridimensionnelle plus arrondie généralement observée des tissus in vivo .

Technologies CAO/FAO

Étant donné que la plupart des techniques ci-dessus sont limitées en ce qui concerne le contrôle de la porosité et de la taille des pores, des techniques de conception et de fabrication assistées par ordinateur ont été introduites dans l'ingénierie tissulaire. Tout d'abord, une structure tridimensionnelle est conçue à l'aide d'un logiciel de CAO. La porosité peut être adaptée à l'aide d'algorithmes dans le logiciel. L'échafaudage est ensuite réalisé en utilisant l'impression à jet d'encre de poudres polymères ou par la modélisation par dépôt de fusion d'un polymère fondu.

Une étude réalisée en 2011 par El-Ayoubi et al. a étudié la "technique de traçage 3D pour produire des échafaudages macroporeux poly-L-lactide ( biocompatibles et biodégradables ) avec deux tailles de pores différentes" via une fabrication de forme libre solide (SSF) avec une conception assistée par ordinateur (CAO), pour explorer le cartilage articulaire thérapeutique remplacement comme « alternative à la réparation tissulaire conventionnelle ». L'étude a révélé que plus la taille des pores était petite associée au stress mécanique dans un bioréacteur (pour induire des conditions de type in vivo), plus la viabilité cellulaire était élevée dans la fonctionnalité thérapeutique potentielle en diminuant le temps de récupération et en augmentant l'efficacité de la transplantation.

Bio-impression assistée par laser

Dans une étude de 2012, Koch et al. s'est concentré sur la question de savoir si la bioimpression assistée par laser (LaBP) peut être utilisée pour créer des motifs 3D multicellulaires dans une matrice naturelle, et si les constructions générées fonctionnent et forment des tissus. LaBP organise de petits volumes de suspensions de cellules vivantes dans des motifs haute résolution définis. L'enquête a été couronnée de succès, les chercheurs prévoient que "les constructions tissulaires générées pourraient être utilisées pour des tests in vivo en les implantant dans des modèles animaux " (14). À partir de cette étude, seul le tissu cutané humain a été synthétisé, bien que les chercheurs prévoient qu'« en intégrant d'autres types de cellules (par exemple , les mélanocytes , les cellules de Schwann , les cellules du follicule pileux) dans la construction cellulaire imprimée, le comportement de ces cellules dans un 3D in vitro un microenvironnement similaire à leur environnement naturel peut être analysé", ce qui est utile pour la découverte de médicaments et les études de toxicologie .

Nanomembranes de soie d'araignée recombinantes auto-assemblées

Gustafsson et al. ont démontré des membranes bioactives autoportantes de taille cm, mais seulement 250 nm d'épaisseur, formées par auto‐assemblage de soie d'araignée à l'interface d'une solution aqueuse. Les membranes combinent de manière unique une épaisseur nanométrique, une biodégradabilité, une contrainte et une résistance ultra-élevées, une perméabilité aux protéines et favorisent une adhérence et une prolifération cellulaires rapides. Ils ont démontré la croissance d'une couche cohérente de kératinocytes. Ces nanomembranes de soie d'araignée ont également été utilisées pour créer un modèle in vitro statique d'un vaisseau sanguin.

Méthodes d'assemblage

Un problème persistant au sein de l'ingénierie tissulaire est la limitation du transport de masse. Les tissus modifiés manquent généralement d'un apport sanguin initial, ce qui rend difficile pour les cellules implantées d'obtenir suffisamment d'oxygène et de nutriments pour survivre ou fonctionner correctement.

Auto-assemblage

Les méthodes d'auto-assemblage se sont révélées être des méthodes prometteuses pour l'ingénierie tissulaire. Les méthodes d'auto-assemblage ont l'avantage de permettre aux tissus de développer leur propre matrice extracellulaire, résultant en un tissu qui récapitule mieux les propriétés biochimiques et biomécaniques du tissu natif. Le cartilage articulaire artificiel auto-assemblé a été introduit par Jerry Hu et Kyriacos A. Athanasiou en 2006 et les applications du processus ont abouti à un cartilage artificiel approchant la résistance du tissu natif. L'auto-assemblage est une technologie de premier plan pour obtenir des cellules cultivées en laboratoire pour les assembler en formes tridimensionnelles. Pour décomposer les tissus en cellules, les chercheurs doivent d'abord dissoudre la matrice extracellulaire qui les lie normalement entre eux. Une fois les cellules isolées, elles doivent former les structures complexes qui composent nos tissus naturels.

Assemblage de gabarit à base de liquide

La surface air-liquide établie par les ondes de Faraday est explorée comme modèle pour assembler des entités biologiques pour l'ingénierie tissulaire ascendante. Ce modèle à base liquide peut être reconfiguré dynamiquement en quelques secondes, et l'assemblage sur le modèle peut être réalisé de manière évolutive et parallèle. L'assemblage d'hydrogels à micro-échelle, de cellules, de billes micro-porteuses ensemencées de neurones, de sphéroïdes cellulaires dans diverses structures symétriques et périodiques a été démontré avec une bonne viabilité cellulaire. La formation d'un réseau neuronal 3-D a été réalisée après une culture tissulaire de 14 jours.

La fabrication additive

Il pourrait être possible d'imprimer des organes, voire des organismes entiers en utilisant des techniques de fabrication additive . Une méthode de construction innovante récente utilise un mécanisme à jet d'encre pour imprimer des couches précises de cellules dans une matrice de gel thermoréversible. Les cellules endothéliales, les cellules qui tapissent les vaisseaux sanguins, ont été imprimées dans un ensemble d'anneaux empilés. Lorsqu'ils sont incubés, ceux-ci fusionnent dans un tube. Cette technique a été appelée « bioimpression » dans le domaine car elle implique l'impression de composants biologiques dans une structure ressemblant à l'organe de mise au point.

Le domaine des modèles tridimensionnels et très précis de systèmes biologiques est mis au point par de multiples projets et technologies, notamment une méthode rapide de création de tissus et même d'organes entiers impliquant une imprimante 3D qui peut bioimprimer l'échafaudage et les cellules couche par couche dans un travail échantillon de tissu ou d'organe. L'appareil est présenté dans une conférence TED par le Dr Anthony Atala, MD, directeur du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine , et le professeur WH Boyce et président du département d' urologie de l'Université de Wake Forest, dans lequel un rein est imprimé sur scène pendant le séminaire et ensuite présenté à la foule. Il est prévu que cette technologie permettra la production de foies à l'avenir pour la transplantation et théoriquement pour la toxicologie et d'autres études biologiques également.

Récemment, le traitement multiphotonique (MPP) a été utilisé pour des expériences in vivo en créant des constructions de cartilage artificiel. Un examen histologique ex vivo a montré qu'une certaine géométrie des pores et la pré-croissance des chondrocytes (Cho) avant l'implantation améliorent considérablement les performances des échafaudages 3D créés. La biocompatibilité obtenue était comparable à celle des membranes de collagène disponibles dans le commerce. Le résultat positif de cette étude soutient l'idée que des échafaudages microstructurés organiques-inorganiques hybrides en forme de pores hexagonaux en combinaison avec l'ensemencement de Cho peuvent être mis en œuvre avec succès pour l'ingénierie tissulaire du cartilage.

Échafaudage

En 2013, en utilisant un échafaudage 3D de Matrigel dans diverses configurations, d'importants organoïdes pancréatiques ont été produits in vitro. Des grappes de petits nombres de cellules ont proliféré en 40 000 cellules en une semaine. Les grappes se transforment en cellules qui soit digestives enzymes ou des hormones comme l' insuline , l' auto-organisation en organites du pancréas ramifiés qui ressemblent à du pancréas.

Les cellules sont sensibles à l'environnement, comme la rigidité du gel et le contact avec d'autres cellules. Les cellules individuelles ne prospèrent pas; un minimum de quatre cellules proches était nécessaire pour le développement organoïde ultérieur. Des modifications de la composition du milieu ont produit soit des sphères creuses composées principalement de progéniteurs pancréatiques, soit des organoïdes complexes qui subissent spontanément une morphogenèse et une différenciation pancréatiques. Le maintien et l'expansion des progéniteurs pancréatiques nécessitent une signalisation active Notch et FGF , récapitulant les interactions de signalisation de niche in vivo.

Les organoïdes étaient considérés comme offrant potentiellement des mini-organes pour les tests de dépistage de drogues et pour les cellules productrices d'insuline de rechange.

Outre les échafaudages Matrigel 3-D, d'autres systèmes de gel de collagène ont été développés. Des échafaudages collagène/acide hyaluronique ont été utilisés pour modéliser la glande mammaire in vitro tout en co-cultivant des cellules épithéliales et adipocytaires. Le kit HyStem est une autre plate-forme 3-D contenant des composants ECM et de l'acide hyaluronique qui a été utilisé pour la recherche sur le cancer. De plus, les constituants de l'hydrogel peuvent être modifiés chimiquement pour aider à la réticulation et améliorer leurs propriétés mécaniques.

Culture de tissus

Dans de nombreux cas, la création de tissus fonctionnels et de structures biologiques in vitro nécessite une culture extensive pour favoriser la survie, la croissance et l'induction de la fonctionnalité. En général, les exigences de base des cellules doivent être maintenues en culture, ce qui comprend l' oxygène , le pH , l' humidité , la température , les nutriments et le maintien de la pression osmotique .

Les cultures tissulaires modifiées présentent également des problèmes supplémentaires dans le maintien des conditions de culture. Dans la culture cellulaire standard, la diffusion est souvent le seul moyen de transport des nutriments et des métabolites. Cependant, à mesure qu'une culture devient plus grande et plus complexe, comme c'est le cas avec des organes modifiés et des tissus entiers, d'autres mécanismes doivent être utilisés pour maintenir la culture, comme la création de réseaux capillaires dans le tissu.

Bioréacteur pour la culture de greffons vasculaires

Un autre problème avec la culture tissulaire est l'introduction des facteurs ou stimuli appropriés requis pour induire la fonctionnalité. Dans de nombreux cas, une simple culture de maintenance n'est pas suffisante. Des facteurs de croissance , des hormones , des métabolites ou nutriments spécifiques, des stimuli chimiques et physiques sont parfois nécessaires. Par exemple, certaines cellules réagissent aux changements de tension en oxygène dans le cadre de leur développement normal, comme les chondrocytes , qui doivent s'adapter à des conditions de faible teneur en oxygène ou à l' hypoxie lors du développement squelettique. D'autres, telles que les cellules endothéliales, réagissent à la contrainte de cisaillement due à l'écoulement de fluide, qui est rencontrée dans les [[vaisseaux sanguins]]. Les stimuli mécaniques, tels que les impulsions de pression, semblent être bénéfiques pour tous les types de tissus cardiovasculaires tels que les valves cardiaques, les vaisseaux sanguins ou le péricarde.

Bioréacteurs

En génie tissulaire, un bioréacteur est un dispositif qui tente de simuler un environnement physiologique afin de favoriser la croissance cellulaire ou tissulaire in vitro. Un environnement physiologique peut comprendre de nombreux paramètres différents tels que la température, la pression, la concentration en oxygène ou en dioxyde de carbone, ou l'osmolalité de l'environnement fluide, et il peut s'étendre à toutes sortes de stimuli biologiques, chimiques ou mécaniques. Par conséquent, il existe des systèmes qui peuvent inclure l'application de forces telles que des forces électromagnétiques, des pressions mécaniques ou des pressions de fluide sur le tissu. Ces systèmes peuvent être des configurations bidimensionnelles ou tridimensionnelles. Les bioréacteurs peuvent être utilisés dans des applications académiques et industrielles. Des bioréacteurs à usage général et spécifiques à une application sont également disponibles dans le commerce, qui peuvent fournir une stimulation chimique statique ou une combinaison de stimulation chimique et mécanique.

La prolifération et la différenciation cellulaires sont largement influencées par des signaux mécaniques et biochimiques dans l'environnement de la matrice extracellulaire environnante. Les bioréacteurs sont généralement développés pour reproduire l'environnement physiologique spécifique du tissu en cours de croissance (par exemple, la flexion et le cisaillement des fluides pour la croissance du tissu cardiaque). Cela peut permettre à des lignées cellulaires spécialisées de prospérer dans des cultures reproduisant leurs environnements natifs, mais cela fait également des bioréacteurs des outils attrayants pour la culture de cellules souches . Un bioréacteur à base de cellules souches réussi est efficace pour développer des cellules souches avec des propriétés uniformes et/ou promouvoir une différenciation contrôlée et reproductible en types de cellules matures sélectionnés.

Il existe une variété de bioréacteurs conçus pour les cultures cellulaires 3D. Il existe de petites chambres cylindriques en plastique, ainsi que des chambres en verre, avec une humidité interne régulée et une humidité spécialement conçue pour la croissance de cellules en trois dimensions. Le bioréacteur utilise des matériaux synthétiques bioactifs tels que des membranes en polyéthylène téréphtalate pour entourer les cellules sphéroïdes dans un environnement qui maintient des niveaux élevés de nutriments. Ils sont faciles à ouvrir et à fermer, de sorte que les sphéroïdes cellulaires peuvent être retirés pour les tests, mais la chambre est capable de maintenir une humidité de 100 % partout. Cette humidité est importante pour obtenir une croissance et une fonction cellulaires maximales. La chambre du bioréacteur fait partie d'un dispositif plus grand qui tourne pour assurer une croissance cellulaire égale dans chaque direction sur trois dimensions.

QuinXell Technologies maintenant sous la direction de Quintech Life Sciences de Singapour a développé un bioréacteur connu sous le nom de TisXell Biaxial Bioreactor qui est spécialement conçu à des fins d'ingénierie tissulaire. C'est le premier bioréacteur au monde à disposer d'une chambre en verre sphérique à rotation biaxiale ; spécifiquement pour imiter la rotation du fœtus dans l'utérus; qui fournit un environnement propice à la croissance des tissus.

De multiples formes de stimulation mécanique ont également été combinées dans un seul bioréacteur. À l'aide de l'analyse de l'expression génique, une étude universitaire a révélé que l'application d'une combinaison de contrainte cyclique et de stimulation par ultrasons aux cellules pré-ostéoblastiques dans un bioréacteur accélérait la maturation et la différenciation de la matrice. La technologie de ce bioréacteur à stimulation combinée pourrait être utilisée pour faire croître des cellules osseuses plus rapidement et plus efficacement dans les futures thérapies cliniques à base de cellules souches.

MC2 Biotek a également développé un bioréacteur connu sous le nom de ProtoTissue qui utilise l'échange gazeux pour maintenir des niveaux élevés d'oxygène dans la chambre cellulaire ; amélioration par rapport aux bioréacteurs précédents, car les niveaux d'oxygène plus élevés aident la cellule à se développer et à subir une respiration cellulaire normale .

Les domaines de recherche actifs sur les bioréacteurs comprennent l'augmentation de l'échelle de production et le raffinement de l'environnement physiologique, qui pourraient tous deux améliorer l'efficience et l'efficacité des bioréacteurs dans la recherche ou l'utilisation clinique. Les bioréacteurs sont actuellement utilisés pour étudier, entre autres, les thérapies au niveau cellulaire et tissulaire, la réponse cellulaire et tissulaire à des changements spécifiques de l'environnement physiologique et le développement de maladies et de blessures.

Génération de fibres longues

En 2013, un groupe de l'Université de Tokyo a développé des fibres chargées de cellules jusqu'à un mètre de long et de l'ordre de 100  µm . Ces fibres ont été créées à l'aide d'un dispositif microfluidique qui forme un double flux laminaire coaxial. Chaque « couche » du dispositif microfluidique (cellules ensemencées dans l' ECM , une gaine d'hydrogel et enfin une solution de chlorure de calcium). Les cellules ensemencées sont cultivées dans la gaine d'hydrogel pendant plusieurs jours, puis la gaine est retirée avec des fibres cellulaires viables. Divers types de cellules ont été insérés dans le noyau de la MEC, notamment des myocytes , des cellules endothéliales , des fibres de cellules nerveuses et des fibres de cellules épithéliales . Ce groupe a ensuite montré que ces fibres peuvent être tissées ensemble pour fabriquer des tissus ou des organes selon un mécanisme similaire au tissage textile . Les morphologies fibreuses sont avantageuses en ce qu'elles offrent une alternative à la conception d'échafaudage traditionnelle, et de nombreux organes (tels que les muscles) sont composés de cellules fibreuses.

Organes bioartificiels

Un organe artificiel est un dispositif technique qui peut être extra-corporel ou implanté pour soutenir des systèmes organiques altérés ou défaillants. Les organes bioartificiels sont généralement créés dans le but de restaurer des fonctions biologiques critiques, comme le remplacement des cœurs et des poumons malades, ou d'améliorer considérablement la qualité de vie, comme l'utilisation d'une peau artificielle sur les brûlés. Alors que certains exemples d'organes bioartificiels sont encore au stade de la recherche de développement en raison des limitations liées à la création d'organes fonctionnels, d'autres sont actuellement utilisés dans des contextes cliniques à des fins expérimentales et commerciales.

Poumon

Les machines d' oxygénation extracorporelle par membrane (ECMO), également appelées machines cardiaques et pulmonaires, sont une adaptation des techniques de circulation extracorporelle qui fournissent une assistance cardiaque et pulmonaire. Il est principalement utilisé pour soutenir les poumons pendant une période prolongée mais toujours temporaire (1 à 30 jours) et permettre la guérison de maladies réversibles. Robert Bartlett est connu comme le père de l'ECMO et a effectué le premier traitement d'un nouveau-né à l'aide d'une machine EMCO en 1975.

Peau

La peau par génie tissulaire est un type d'organe bioartificiel qui est souvent utilisé pour traiter les brûlures, les ulcères du pied diabétique ou d'autres grandes plaies qui ne peuvent pas bien cicatriser d'elles-mêmes. La peau artificielle peut être fabriquée à partir d'autogreffes, d'allogreffes et de xénogreffes. La peau autogreffée provient de la propre peau du patient, ce qui permet au derme d'avoir un taux de guérison plus rapide, et le site donneur peut être récolté plusieurs fois. La peau d'allogreffe provient souvent de peau de cadavre et est principalement utilisée pour traiter les victimes de brûlures. Enfin, la peau xénogreffée provient d'animaux et fournit une structure de guérison temporaire pour la peau. Ils aident à la régénération dermique, mais ne peuvent pas faire partie de la peau de l'hôte. La peau issue de l'ingénierie tissulaire est maintenant disponible dans les produits commerciaux. Integra, initialement utilisé pour traiter uniquement les brûlures, se compose d'une matrice de collagène et de sulfate de chondroïtine qui peut être utilisé comme substitut cutané. Le sulfate de chondroïtine fonctionne comme un composant des protéoglycanes, qui aide à former la matrice extracellulaire. Integra peut être repeuplé et revascularisé tout en conservant son architecture de collagène dermique, ce qui en fait un organe bioartificiel. Ces fibroblastes prolifèrent et produisent des facteurs de croissance, du collagène et des protéines ECM, qui aident à construire le tissu de granulation.

Cœur

Étant donné que le nombre de patients en attente d'une transplantation cardiaque augmente continuellement au fil du temps et que le nombre de patients sur la liste d'attente dépasse la disponibilité des organes, des organes artificiels utilisés comme thérapie de remplacement pour l'insuffisance cardiaque terminale aideraient à atténuer cette difficulté. Les cœurs artificiels sont généralement utilisés pour combler la transplantation cardiaque ou peuvent être appliqués comme thérapie de remplacement pour un dysfonctionnement cardiaque terminal. Le cœur artificiel total (TAH), introduit pour la première fois par le Dr Vladimir P. Demikhov en 1937, est apparu comme une alternative idéale. Depuis lors, il a été développé et amélioré en tant que pompe mécanique qui fournit une assistance circulatoire à long terme et remplace les ventricules cardiaques malades ou endommagés qui ne peuvent pas pomper correctement le sang, rétablissant ainsi le flux pulmonaire et systémique. Certains des TAH actuels incluent AbioCor, un dispositif approuvé par la FDA qui comprend deux ventricules artificiels et leurs valves, et ne nécessite pas de connexions sous-cutanées, et est indiqué pour les patients atteints d'insuffisance cardiaque biventriculaire. En 2010, SynCardia a lancé le pilote de liberté portable qui permet aux patients d'avoir un appareil portable sans être confinés à l'hôpital.

Un rein

Alors que les greffes de rein sont possibles, l'insuffisance rénale est plus souvent traitée à l'aide d'un rein artificiel. Les premiers reins artificiels et la plupart de ceux actuellement utilisés sont extracorporels, comme l'hémodialyse, qui filtre directement le sang, ou la dialyse péritonéale, qui filtre via un liquide dans l'abdomen. Afin de contribuer aux fonctions biologiques d'un rein telles que la production de facteurs métaboliques ou d'hormones, certains reins artificiels incorporent des cellules rénales. Des progrès ont été réalisés dans la manière de rendre ces dispositifs plus petits et plus transportables, voire implantables . Un défi encore à relever dans ces appareils plus petits est de contrer le volume limité et donc les capacités de filtrage limitées.

Biomimétique

La biomimétique est un domaine qui vise à produire des matériaux et des systèmes qui reproduisent ceux présents dans la nature. Dans le contexte de l'ingénierie tissulaire, il s'agit d'une approche courante utilisée par les ingénieurs pour créer des matériaux pour ces applications qui sont comparables aux tissus natifs en termes de structure, de propriétés et de biocompatibilité. Les propriétés du matériau dépendent en grande partie des caractéristiques physiques, structurelles et chimiques de ce matériau. Par la suite, une approche biomimétique de la conception du système deviendra importante dans l'intégration matérielle, et une compréhension suffisante des processus et interactions biologiques sera nécessaire. La réplication de systèmes et de processus biologiques peut également être utilisée dans la synthèse de matériaux bio-inspirés pour obtenir des conditions qui produisent le matériel biologique souhaité. Par conséquent, si un matériau est synthétisé ayant les mêmes caractéristiques que les tissus biologiques à la fois structurellement et chimiquement, alors idéalement, le matériau synthétisé aura des propriétés similaires. Cette technique a une longue histoire provenant de l'idée d'utiliser des phénomènes naturels comme source d'inspiration pour la conception de solutions aux problèmes humains. De nombreux progrès technologiques modernes ont été inspirés par la nature et les systèmes naturels, notamment les avions, les automobiles, l'architecture et même les systèmes industriels. Les progrès de la nanotechnologie ont initié l'application de cette technique à des problèmes à l' échelle micro et nanométrique , y compris l'ingénierie tissulaire. Cette technique a été utilisée pour développer des tissus osseux synthétiques, des technologies vasculaires, des matériaux d'échafaudage et des techniques d'intégration, et des nanoparticules fonctionnalisées.

Construire des réseaux de neurones dans un matériau souple

En 2018, des scientifiques de l'Université Brandeis ont rendu compte de leurs recherches sur des matériaux mous incrustés de réseaux chimiques pouvant imiter le comportement lisse et coordonné du tissu neural. Cette recherche a été financée par le US Army Research Laboratory . Les chercheurs ont présenté un système expérimental de réseaux de neurones, théoriquement modélisés comme des systèmes de réaction-diffusion . Au sein des réseaux se trouvait un ensemble de réacteurs à motifs, chacun réalisant la réaction de Belousov-Zhabotinsky (BZ). Ces réacteurs pourraient fonctionner à l'échelle du nanolitre.

Les chercheurs déclarent que l'inspiration de leur projet était le mouvement de l' anguille ruban bleu . Les mouvements de l'anguille sont contrôlés par des impulsions électriques déterminées par une classe de réseaux neuronaux appelés le générateur de motif central . Les générateurs de motifs centraux fonctionnent au sein du système nerveux autonome pour contrôler les fonctions corporelles telles que la respiration, le mouvement et le péristaltisme .

Les qualités du réacteur qui ont été conçues étaient la topologie du réseau, les conditions aux limites , les conditions initiales, le volume du réacteur, la force de couplage et la polarité synaptique du réacteur (que son comportement soit inhibiteur ou excitateur). Un système d'émulsion BZ avec un élastomère solide polydiméthylsiloxane (PDMS) a été conçu. Les PDMS perméables à la lumière et au brome ont été signalés comme des méthodes viables pour créer un stimulateur cardiaque pour les réseaux de neurones.

Marché

L'histoire du marché de l'ingénierie tissulaire peut être divisée en trois grandes parties. Le temps avant le krach du marché des biotechnologies au début des années 2000, le krach et le temps après.

Début

La plupart des premiers progrès de la recherche en génie tissulaire ont été réalisés aux États-Unis. Cela est dû à des réglementations moins strictes concernant la recherche sur les cellules souches et à des financements plus disponibles que dans d'autres pays. Cela conduit à la création de startups académiques dont beaucoup viennent de Harvard ou du MIT . Les exemples sont BioHybridTechnologies dont le fondateur, Bill Chick, est allé à la Harvard Medical School et s'est concentré sur la création de pancréas artificiel. Un autre exemple serait Organogenèse Inc. dont le fondateur est allé au MIT et a travaillé sur des produits d'ingénierie de la peau. Les autres sociétés liées au MIT sont TEI Biosciences, Therics et Guilford Pharmaceuticals. Le regain d'intérêt pour les biotechnologies dans les années 1980 conduit de nombreux investisseurs privés à investir dans ces nouvelles technologies même si les modèles économiques de ces premières startups étaient souvent peu clairs et ne présentaient pas une voie de rentabilité à long terme. Les sponsors gouvernementaux étaient plus limités dans leur financement, car l'ingénierie tissulaire était considérée comme un investissement à haut risque.

Au Royaume-Uni, le marché a démarré plus lentement, même si la réglementation sur la recherche sur les cellules souches n'était pas non plus stricte. Cela est principalement dû au fait que davantage d'investisseurs sont moins disposés à investir dans ces nouvelles technologies qui étaient considérées comme des investissements à haut risque. Un autre problème rencontré par les entreprises britanniques était de faire payer leurs produits par le NHS . Ceci en particulier parce que le NHS effectue une analyse de rentabilité sur tous les produits pris en charge. Les nouvelles technologies ne font souvent pas bien à cet égard.

Au Japon, la situation réglementaire était assez différente. La première culture cellulaire n'était autorisée qu'en milieu hospitalier et les seconds scientifiques universitaires employés par des universités publiques n'étaient pas autorisés à travailler en dehors jusqu'en 1998. De plus, les autorités japonaises ont mis plus de temps à approuver les nouveaux médicaments et traitements que leurs homologues américains et européens.

Pour ces raisons, au début du marché japonais, l'accent était principalement mis sur l'obtention de produits déjà approuvés ailleurs au Japon et leur vente. Contrairement au marché américain, les premiers acteurs au Japon étaient principalement de grandes entreprises ou des sous-entreprises de ces grandes entreprises, telles que J-TEC, Menicon et Terumo, et non de petites startups. Après les changements réglementaires en 2014, qui ont permis la culture cellulaire en dehors du milieu hospitalier, la vitesse de la recherche au Japon s'est accélérée et les entreprises japonaises ont également commencé à développer leurs propres produits.

Des sociétés japonaises, telles que ReproCell et iPS Academia Japan, travaillent actuellement sur des produits liés aux cellules iPS .

crash

Peu de temps après le grand boom, les premiers problèmes ont commencé à apparaître. Il y avait des problèmes pour faire approuver les produits par la FDA et s'ils étaient approuvés, il était souvent difficile de faire payer les produits par les assureurs et de les faire accepter par les prestataires de soins de santé.

Par exemple, l'organogenèse a rencontré des problèmes de commercialisation de son produit et d'intégration de son produit dans le système de santé. Ceci est en partie dû aux difficultés de manipulation des cellules vivantes et aux difficultés accrues rencontrées par les médecins dans l'utilisation de ces produits par rapport aux méthodes conventionnelles.

Un autre exemple serait le produit pour la peau Advanced Tissue Sciences Dermagraft qui ne pourrait pas créer une demande suffisamment élevée sans les remboursements des assureurs. Les raisons en étaient le prix de 4 000 $ et le fait que Supplémentairement Advanced Tissue Sciences a eu du mal à faire connaître son produit aux médecins.

Les exemples ci-dessus montrent comment les entreprises ont eu du mal à faire des profits. Ceci, à son tour, conduit les investisseurs à perdre patience et à arrêter de nouveaux financements. En conséquence, plusieurs sociétés d'ingénierie tissulaire comme Organogenèse et Advanced Tissue Sciences ont déposé leur bilan au début des années 2000. À cette époque, ils étaient les seuls à avoir des produits commerciaux pour la peau sur le marché.

Réémergence

Les technologies des entreprises en faillite ou en difficulté ont souvent été achetées par d'autres entreprises qui ont poursuivi le développement dans le cadre de modèles commerciaux plus conservateurs. Des exemples d'entreprises qui ont vendu leurs produits après le pliage étaient Curis et Intercytex.

De nombreuses entreprises ont abandonné leurs objectifs à long terme de développer des organes entièrement fonctionnels au profit de produits et de technologies susceptibles de générer des bénéfices à court terme. Des exemples de ces types de produits sont les produits de l'industrie des cosmétiques et des tests.

Dans d'autres cas, comme dans le cas d'Advanced Tissue Sciences, les fondateurs ont créé de nouvelles entreprises.

Dans les années 2010, le cadre réglementaire a également commencé à accélérer la mise sur le marché, en particulier aux États-Unis, car de nouveaux centres et voies ont été créés par la FDA spécifiquement destinés aux produits issus de cellules vivantes tels que le Center for Biologics Evaluation and Research .

Les premiers produits d'ingénierie tissulaire ont commencé à devenir commercialement rentables dans les années 2010.

Régulation

En Europe, la réglementation est actuellement divisée en trois domaines de réglementation : les dispositifs médicaux , les médicaments et les produits biologiques . Les produits d'ingénierie tissulaire sont souvent de nature hybride, car ils sont souvent composés de cellules et d'une structure de support. Alors que certains produits peuvent être approuvés en tant que médicaments, d'autres doivent être approuvés en tant que dispositifs médicaux. Derksen explique dans sa thèse que les chercheurs en ingénierie tissulaire sont parfois confrontés à une réglementation qui ne correspond pas aux caractéristiques de l'ingénierie tissulaire.

De nouveaux régimes réglementaires ont été observés en Europe pour s'attaquer à ces problèmes. Une explication des difficultés à trouver un consensus réglementaire en la matière est donnée par une enquête menée au Royaume-Uni. Les auteurs attribuent ces problèmes au lien étroit et au chevauchement avec d'autres technologies telles que la xénotransplantation . Elle ne peut donc pas être traitée séparément par les organismes de réglementation. La réglementation est encore compliquée par les controverses éthiques associées à ce domaine et à des domaines de recherche connexes (p. ex. controverse sur les cellules souches , éthique de la transplantation d'organes ). La même enquête que celle évoquée ci-dessus montre sur l'exemple de la greffe autologue de cartilage qu'une technologie spécifique peut être considérée comme « pure » ou « polluée » par un même acteur social.

Deux mouvements réglementaires sont les plus pertinents pour l'ingénierie tissulaire dans l' Union européenne . Il s'agit de la directive sur les normes de qualité et de sécurité pour l'approvisionnement et le traitement des tissus humains qui a été adoptée par le Parlement européen en 2004, et une proposition de règlement sur les cellules et les produits issus de l'ingénierie des tissus humains. Ce dernier a été développé sous l'abscisse de la Commission européenne DG Entreprises et présenté à Bruxelles en 2004.

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes