Les maladies cardiovasculaires (MCV) restent l’une des principales causes de mortalité dans le monde. Il existe un besoin urgent de modèles vasculaires améliorés, anatomiquement et biologiquement, pour faire progresser notre compréhension de la progression de la maladie. Une telle compréhension peut conduire au développement de nouvelles interventions thérapeutiques.
Alors que les scientifiques s’appuient traditionnellement fortement sur des modèles animaux pour aider à faire la lumière sur la physiopathologie des maladies cardiovasculaires et le développement de médicaments, ils sont limités par leur capacité à prédire la toxicité chez l’homme. « Étant donné les différences dans les mécanismes moléculaires, cellulaires et physiologiques sous-jacents entre les animaux et les humains, les modèles animaux ne nous fournissent pas nécessairement une compréhension précise de la physiologie humaine », a expliqué le professeur agrégé Yi-Chin Toh, auteur correspondant de l’Université de technologie du Queensland ( QUT).
Pour créer des modèles alternatifs plus pertinents pour les humains, les scientifiques se tournent vers l’ingénierie des tissus à l’aide de cellules humaines vivantes. « Pour identifier les principaux contributeurs cellulaires et moléculaires à la physiologie et à la physiopathologie humaines, les cellules humaines vivantes sont utilisées dans le domaine de l’ingénierie tissulaire pour construire des modèles artificiels avec une composition définie au niveau des cellules, des tissus et des organes », a expliqué le professeur Toh.
En utilisant directement des cellules humaines, ces tissus modifiés pourraient fournir des informations sur le fonctionnement normal des organes humains et la physiopathologie de la maladie, ainsi que prédire plus précisément l’innocuité et l’efficacité des thérapies expérimentales chez l’homme.
L’une des technologies actuellement utilisées dans le domaine de l’ingénierie tissulaire est la bioimpression 3D, où des cellules humaines vivantes sont mélangées à des bioencres et déposées de manière spécifique pour récapituler le microenvironnement des organes natifs. Cependant, la fabrication des complexités trouvées dans les organes à l’aide des méthodes actuelles de bio-impression est toujours difficile en raison des limitations technologiques.
Une des difficultés est de récapituler les complexités des vaisseaux sanguins. Par exemple, les vaisseaux sanguins se ramifient de manière hiérarchique, où les gros vaisseaux se ramifient en plusieurs vaisseaux plus petits sur différentes échelles de longueur. Les vaisseaux sanguins sont également multicouches, chaque couche étant constituée de différents types de cellules.
« La bio-encre imprimée doit remplir une double fonction de soutien des cellules vivantes et de fourniture d’intégrité structurelle à la construction vasculaire. La bio-encre existante adaptée aux cellules vivantes est généralement molle et fragile, ce qui rend difficile l’impression directe en 3D de l’architecture complexe des vaisseaux sanguins », a déclaré chercheur principal, professeur associé Michinao Hashimoto de l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD).
« En raison des limites existantes de la bio-impression 3D, nous avons décidé de ne pas compter entièrement sur l’impression 3D pour fabriquer les constructions vasculaires. »
L’équipe a développé une technique de fabrication inspirée de la méthode ancestrale du moulage. L’impression 3D a été utilisée pour fabriquer les moules des réseaux vasculaires. Cependant, contrairement aux procédés de moulage conventionnels où le matériau liquide rempli se solidifie en masse, l’équipe a introduit une approche de solidification unique.
La technique consistait à utiliser un moule imprimé en 3D en deux parties composé d’hydrogels de diacrylate de poly (éthylène glycol) (PEGDA). L’hydrogel PEGDA a été sélectionné car il pouvait se comporter comme une éponge pour absorber les ions calcium, responsables de la réticulation de la bioencre sélectionnée.
Lorsque la bio-encre contenant de l’alginate a été perfusée à travers la cavité du moule, les ions calcium à l’intérieur du moule se sont diffusés radialement dans la cavité du moule. La diffusion des ions calcium a provoqué une réticulation ionique rapide de l’alginate présent dans la bioencre, formant une construction tubulaire.
« Nous pouvons contrôler efficacement l’épaisseur de la paroi du vaisseau en faisant varier la durée de maintien de la bio-encre dans la cavité du moule. Par la suite, nous pouvons perfuser une solution tampon à travers le moule pour éliminer la bio-encre non réticulée », a déclaré l’auteur principal Terry Ching, Ph. RÉ. étudiant du SUTD.
En utilisant cette technique, les chercheurs ont réussi à concevoir des réseaux vasculaires autonomes, ramifiés, multicouches et perfusables. « Surtout, nous avons pu mélanger d’autres matériaux bioactifs dans la bioencre pour rendre le microenvironnement plus adapté aux cellules vasculaires humaines », a ajouté Ching.
L’équipe a incorporé des cellules vasculaires pertinentes dans une configuration similaire à celle trouvée in vivo. L’équipe a également monté ses constructions vasculaires autonomes sur un ballon extensible pour simuler la charge cyclique que subissent les artères coronaires in vivo.
La polyvalence et les multiples possibilités de cette technique de fabrication devraient donner aux utilisateurs plus de contrôle pour accueillir une variété de bio-encres et de cellules spécifiques au patient. « En fin de compte, nous espérons utiliser ces constructions vasculaires biomimétiques au profit de la recherche future dans la compréhension mécaniste des maladies cardiovasculaires ainsi que des modèles pour évaluer les interventions thérapeutiques », a expliqué le professeur agrégé Michinao Hashimoto.
L’article a été publié dans la revue Petit.
Plus d’information:
Terry Ching et al, Vasculatures biomimétiques par moules poreux imprimés en 3D (Small 39/2022), Petit (2022). DOI : 10.1002/smll.202270209