La bioimpression cellulaire 3D est une technologie de pointe pour créer des tissus vivants tels que des vaisseaux sanguins, des os, du cartilage ou de la peau. Elle repose sur la technologie de fabrication additive de l’impression 3D. En d’autres termes, les structures cellulaires tridimensionnelles sont générées en ajoutant couche après couche de matériau sans avoir besoin de moule. Le matériau ajouté couche par couche est appelé “bioencre”. Son application s’est étendue à des secteurs tels que les produits pharmaceutiques, les dermocosmétiques et l’alimentation. Vous aimeriez en savoir plus ?
La bioencre est le matériau fluide chargé dans les injecteurs de la bioimprimante, permettant d’imiter l’architecture du tissu cellulaire cible. Ses principaux composants incluent :
- Des cellules vivantes représentatives du tissu à imprimer, provenant soit d’un seul type cellulaire, soit de plusieurs types
- Des biomatériaux pour générer des structures ou des échafaudages, tels que le collagène, la gélatine ou des hydrogels à base d’acide hyaluronique ou de polyéthylène glycol, ainsi que des composants pour le maintien des cellules
- D’autres composés ou molécules permettant la solidification ou la réticulation
Étant donné qu’il est compliqué pour un seul matériau de posséder toutes les propriétés nécessaires pour atteindre les caractéristiques requises (propriétés rhéologiques et mécaniques, imprimabilité, biocompatibilité cellulaire), l’une des tendances est d’utiliser des bioencres multi-composants. Ainsi, les matériaux sont souvent des combinaisons de plusieurs substances pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées et faciliter la capacité d’impression.
Les quatre grandes étapes de la bioimpression
La création de structures cellulaires 3D par bioimpression peut être divisée en quatre grandes étapes :
- Conception de la structure (sélection des cellules, matériaux pour la génération de la bioencre)
- Processus de bioimpression
- Cultivation post-bioimpression de la structure cellulaire (fonctionnalisation et/ou plaque de support de croissance, bioréacteur, etc.)
- Évaluation de la structure (vérification de la viabilité, de la structure et de la fonctionnalité)
Trois types de technologies pour la bioimpression
Le processus de bioimpression cellulaire en tant que tel, c’est-à-dire la façon dont les structures sont créées par la déposition de la bioencre sur le support, peut être classé en trois types de technologies sur lesquelles reposent les différentes bioimprimantes disponibles sur le marché :
- Bioimpression par extrusion, où la bioencre est extrudée à travers des injecteurs formant un filament continu ;
- Bioimpression goutte-à-la-demande, dans laquelle la bioencre est déposée par une “goutte discrète” qui s’empile pour créer la structure. Il existe également différentes manières de créer la goutte (processus thermiques, piézoélectriques et assistés par laser).
- Bioimpression basée sur la photopolymérisation, qui repose sur la sensibilité à la lumière de certains polymères pour leur solidification par la lumière.
La bioimpression cellulaire a été initialement conçue comme une alternative à la demande continue de greffes d’organes. Elle a été démontrée pour la première fois par le Dr. Klebe dans les années 1980, par la micro-addition de cellules en couches en utilisant une imprimante conventionnelle Hewlett-Packard (HP). Cependant, les avancées technologiques qui facilitent et augmentent la viabilité cellulaire après leur passage dans les injecteurs, entre autres facteurs, ont permis d’intensifier les recherches sur son applicabilité depuis l’an 2000. Grâce à la capacité de manipulation spatio-temporelle de diverses cellules, la bioimpression est devenue l’un des systèmes qui recrée le mieux le microenvironnement cellulaire des tissus, imitant ainsi le comportement cellulaire à l’échelle du laboratoire. La bioimpression 3D d’organes est complexe, et la technologie doit encore évoluer.
Application de la bioimpression 3D dans les secteurs pharmaceutique, dermocosmétique et alimentaire
L’application de la bioimpression 3D s’est étendue à divers domaines au-delà de la médecine régénérative pour la reconstruction des tissus (par exemple, cornées, os ou cartilages), tels que :
- Dans le secteur pharmaceutique, pour étudier le mécanisme d’action de certaines pathologies et identifier de nouveaux médicaments, tels que des agents antitumoraux.
- Dans le secteur dermocosmétique, pour créer de la peau et étudier les effets de composés ou formules spécifiques.
- n outre, un autre secteur avec des applications potentielles est l’industrie alimentaire, qui convient au développement d’ingrédients et de produits avec des effets fonctionnels. Cette technologie permet de créer des modèles in vitro plus précis des fonctions physiologiques d’intérêt, ainsi que de fabriquer de la viande in vitro, l’une des alternatives technologiques les plus importantes pour un approvisionnement durable en protéines. La bioimpression 3D permet la création de structures sur lesquelles les cellules du tissu musculaire sont déposées pour une culture ultérieure dans un bioréacteur.
L’un des principaux défis futurs de la bioimpression 3D est la création d’organes pour les transplantations. Bien que la reproduction d’une structure cellulaire aussi complexe ait été son objectif initial, cela reste une tâche ardue. Cependant, des progrès sont en cours. Il convient de noter qu’il est déjà question de bioimpression 4D, où les cellules utilisées pour créer les tissus sont des cellules de donneurs. Par conséquent, il est prévu que cette technologie devienne clé pour la biomédecine personnalisée.
Sur la base de ce qui précède, nous considérons la bioimpression cellulaire comme une technologie révolutionnaire d’ingénierie tissulaire qui rapproche de plus en plus le “in vitro” du “in vivo”.
TECNOMIFOOD : Développement de modèles cellulaires par bioimpression 3D
AINIA, dans le cadre du projet TECNOMIFOOD, travaille au développement de modèles cellulaires par bioimpression 3D. De plus, l’utilisation de son propre système intégré, qui comprend le Digesteur Dynamique d’AINIA pour la fermentation colique et les modèles cellulaires 3D, permet de recréer l’ensemble du processus d’ingestion de produits : digestion gastro-intestinale, bioaccessibilité et biodisponibilité des composés, imitant l’interaction avec le microbiote intestinal ainsi que l’effet biologique sur le tissu cible. Combiné aux technologies omiques pour surveiller les réponses biologiques (protéomique, métagénomique et transcriptomique ciblée), cela constitue un modèle préclinique in vitro polyvalent, robuste et précis pour identifier, sélectionner et évaluer des ingrédients bioactifs et des produits fonctionnels.
