2021 Avec une pénurie mondiale d’organes aptes à la transplantation chez des patients gravement malades , certains chercheurs envisagent l’impression 3D de tissus vivants comme une solution, mais pour ce faire, ils pourraient avoir besoin d’aller en orbite.A
Andrew Morgan a vu certaines des pires choses qui peuvent arriver au corps humain. En tant que médecin de champ de bataille dans l’armée américaine, il a soigné de jeunes soldats dont les corps avaient été déchirés et brisés lors d’explosions. « J’ai vu la perte de membres et des blessures dévastatrices à la suite d’explosions », dit-il. Le fait d’être témoin de la lenteur du processus de guérison et de récupération a fait penser à Morgan : et si de nouveaux tissus ou même des organes entiers pouvaient être simplement imprimés pour remplacer les parties du corps blessées ?
« La capacité de transplanter des tissus fabriqués à partir du les propres cellules de la personne blessée seraient extrêmement bénéfiques », dit-il.
C’est pourquoi Morgan a mené une série d’expériences inhabituelles sur plusieurs mois l’année dernière – dans l’espace. Vous voyez, Morgan est aussi un astronaute de la Nasa. En avril 2020, il est revenu d’un séjour de 272 jours sur la Station spatiale internationale (ISS). Alors qu’il tournait à 400 km au-dessus de la surface de la Terre, Morgan a créé des tissus vivants, cellule par cellule, à l’aide d’une imprimante 3D et de quelque chose appelé bio-encre.
« C’est un peu comme changer une cartouche d’imprimante à la maison », explique Morgan à propos de l’équipement qu’il utilisait. « Vous mettez la cartouche d’encre, laissez la culture se développer, puis retirez la cassette de tissus pour analyse. »
Jusqu’ici, tout est simple. Mais il y a une raison pour laquelle Morgan et son collègue astronaute Christina Koch faisaient ces expériences en orbite.
« Lorsque vous imprimez en 3D une culture tissulaire au sol, elles ont tendance à s’effondrer en présence de gravité », dit-il. « Les tissus nécessitent une sorte d’échafaudage [temporaire, organique] pour tout maintenir en place, en particulier avec des cavités comme les cavités d’un cœur. Mais vous n’avez pas ces effets dans un environnement de micro-gravité, c’est pourquoi ces expériences ont été si précieuses. »
Les expériences menées sur la Station spatiale internationale par Andrew Morgan ont montré que les organes pouvaient être imprimés dans un environnement à faible gravité ( Crédit : Nasa)
L’environnement de microgravité de l’ISS était idéal pour tester l’Bio Fabrication Facility, qui a été lancé en orbite en 2019 et devrait être mis à niveau en 2021. Développé par les sociétés américaines Techshot et NScrypt, il est conçu pour imprimer des cellules humaines dans des tissus en forme d’organe. Initialement, Morgan l’utilisait pour tester des empreintes de tissu de type cardiaque d’épaisseur croissante. En fin de compte, cependant, l’équipe à l’origine de la technologie espère affiner l’équipement afin de pouvoir imprimer des organes humains entiers dans l’espace, qui peuvent être utilisés dans les greffes.
Imprimer des organes humains n’est pas aussi scientifique qu’il n’y paraît. . Un certain nombre de sociétés de biotechnologie travaillent sur différentes approches, qui visent à utiliser les propres cellules d’un patient pour fabriquer de nouveaux tissus. Dans la plupart des cas, ils reprogramment les cellules en suivant un Nobel Processus primé développé il y a une décennie pour les transformer en cellules souches, qui sont ensuite théoriquement capables de se développer dans n’importe quelle partie de l’anatomie humaine. Avec les bons nutriments et les bons encouragements, ceux-ci peuvent ensuite être induits dans le type cellulaire de choix. En suspendant les cellules souches dans un hydrogel qui peut être intégré à un échafaudage pour empêcher la structure en croissance de s’effondrer sur elle-même, le type de cellule souhaité peut ensuite être imprimé couche par couche dans un tissu vivant et fonctionnel.
« Nous avons déjà produit des tissus qui ont été transplantés avec succès sur des animaux – des greffes de peau, par exemple, », explique Itedale Redwan, responsable scientifique de Cel, la première entreprise à commercialiser des bio- encrer. « Récemment, nous avons travaillé sur l’impression assistée par laser pour permettre l’impression au très petit niveau des capillaires, ou des vaisseaux de transplantation de sang et de déchets. Pouvoir imprimer à ce niveau sera essentiel, mais le grand pas sera de mettre un tel tissu humain. »
Redwan estime qu’il pourrait s’écouler 10 à 15 ans avant que des tissus et organes pleinement fonctionnels imprimés de cette manière ne soient transplantés chez l’homme. Les scientifiques ont déjà montré qu’il était possible d’imprimer des tissus de base et même des mini-organes. En 2018, une équipe de l’Université de Newcastle a imprimé le premier cornées humaines, tandis qu’un groupe de l’Université de Tel Aviv a produit un cœur miniature en imprimant avec du tissu humain d’un patient cardiaque et pense qu’il pourrait être utilisé pour concevoir patchs cardiaques pour réparer les malformations cardiaques. Depuis, les scientifiques de la Michigan State University sont allés encore plus loin en imprimant un mini cœur humain à l’aide d’un cadre de cellules souches imite l’environnement dans lequel un fœtus se développe, permettant la création de tous les types de cellules et de structures complexes nécessaires au fonctionnement d’un cœur.
Mais le cœur est une pompe relativement simple constituée d’une série de chambres entourées de tissu musculaire. Certains chercheurs ont déjà progressé dans la construction de structures d’organes et de tissus plus complexes. Un groupe du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine à Winston-Salem, en Caroline du Nord, a cellules nerveuses intégrées dans les muscles imprimés, une étape clé vers la restauration du contrôle et de la fonction musculaires dans les futures greffes.
Construire des organes complexes à grande échelle comme le foie et le k idney, cependant, est un défi bien plus grand. Ces organes sont des mélanges de nombreux types de cellules, infusés de réseaux de vaisseaux sanguins et de nerfs.
Jennifer Lewis, professeure d’ingénierie d’inspiration biologique à l’Université Harvard qui a expérimenté l’impression de tissus, a une vision prudente des obstacles encore à surmonter. Recréer la pleine fonction d’un organe – la synchronicité de l’action du cœur, par exemple, ou la fonction de filtration d’un rein – n’est pas chose aisée. Une étape importante consistera à reproduire le processus d’organogenèse – où l’architecture multicellulaire des tissus et organes humains se forme dans l’embryon pour développer différentes fonctions, dit-elle.
« Nous trouvons, par exemple. exemple, que souvent la fonction des tissus n’est pas aussi mature lorsqu’elle est créée en laboratoire par opposition à in vivo », explique Lewis. « Ils pourraient faire ce genre de chose assez facilement sur Westworld, mais c’est le rêve. Pourtant, vous pouvez voir les voies à suivre pour que cela devienne une réalité dans quelques décennies. »
Les cellules souches peuvent être habitué à imprimer des tissus couche par couche, mais produire des organes complexes pleinement fonctionnels reste un défi (Crédit : BSIP/)
Une entreprise, BioLife4D, qui développe et fabrique une technologie de bio-impression, se concentre sur l’impression de composants biologiques à utiliser dans la réparation du cœur humain comme tremplin vers la production d’un cœur transplantable imprimé entier. Il pense qu’il existe un marché de plusieurs millions de dollars pour les
« Mais si vous êtes capable d’imprimer un foie, vous n’avez rien tant que vous n’imprimez pas le foie entier suivant », déclare Steve Morris, directeur général de l’entreprise. « D’un point de vue scientifique, vous pouvez également bio-concevoir un cœur avec un défaut spécifique pour permettre le test du traitement. »
Redwan souligne que, dans le sh À terme, les organes imprimés permettront de modéliser plus efficacement les maladies en laboratoire et d’aider au développement de médicaments. Cela, à son tour, devrait aider à réduire les niveaux d’expérimentation animale. A moyen terme, lorsque des organes grandeur nature sont imprimables, le défi peut alors devenir de répondre à la demande. Actuellement, il y a une énorme pénurie d’organes de donneurs pour répondre à la demande de ceux qui ont besoin d’une greffe.
« Il y a, par exemple, environ un million de personnes dans le monde en attente d’une greffe de rein », explique Lewis. L’Organisation mondiale de la santé estime qu’environ 130 000 greffes d’organes ont lieu chaque année , mais cela ne couvre que 10 % des besoins en greffe. Rien qu’aux États-Unis, il y a 107 000 patients sur les listes d’attente de greffe. « Le simple fait de pouvoir offrir des organes à ces personnes aurait un impact énorme en soi », déclare Lewis.
Ceux qui ont la chance de recevoir une greffe de donneur doivent également passer le reste de leur vie. sur des médicaments immunosuppresseurs pour empêcher leur corps de rejeter ces organes « étrangers ». Mais si un nouvel organe peut être imprimé à l’aide de ses propres cellules, cela devrait réduire considérablement le risque de rejet.
Face à un tel besoin et à un tel avantage potentiel, cela rend les grandes longueurs nécessaires pour faire pousser des organes dans l’espace digne d’intérêt. Mais l’impression dans l’espace n’est pas bon marché. L’installation de biofabrication sur l’ISS a coûté 7 millions de dollars (5 millions de livres sterling) et ajoutez à cela le coût de la mise en orbite des cellules et autres matières premières avant de ramener les organes en toute sécurité. Les grandes séries de production vont également être difficiles. Cela a conduit certains à rechercher si l’environnement de faible gravité trouvé en orbite peut être reproduit ici sur Terre pour développer des organes complexes et délicats. La société médicale russe 3D Bioprinting Solutions, par exemple, a produit un système qui utilise un champ magnétique pour faire léviter ti ssue car il forme la structure souhaitée.
Les scientifiques doivent également déterminer comment obtenir la vascularisation et les terminaisons nerveuses d’un organe imprimé travail. Mais en attendant, on s’attend à ce que l’installation de biofabrication soit en mesure de prendre en charge des travaux pour des clients industriels et institutionnels cherchant à explorer davantage son potentiel d’impression de tissus. Certains, comme le scientifique en chef de Techshot, Gene Boland, imaginent une époque – dans les années 2030 ou 2040 peut-être – où des installations de bio-impression sont établies en orbite terrestre basse, profitant de l’environnement de microgravité pour imprimer des tissus humains toujours plus complexes à , peut-être des spécifications de plus en plus avancées.
Pour d’autres essayant de développer cette révolution dans la technologie de transplantation, la quête est profondément personnelle.
« Ma fille est née avec un seul poumon, » déclare Ken Church, directeur général de NScrypt, la société qui a contribué au développement de la bio-imprimante utilisée par Andrew Morgan sur l’ISS. « Elle a 27 ans et bien maintenant, mais n’a toujours qu’un poumon. Mais cela m’a amené à me pencher sur le sujet de l’ingénierie tissulaire – à l’époque où la bio-impression n’était pas chose – et j’ai été fasciné par l’idée. »
NScrypt développe actuellement la prochaine génération de bio-imprimante, un bio-réacteur, qui, plutôt que de bénéficier d’un environnement à faible gravité pour empêcher la nécrose au centre de tout tissu imprimé, le fait avec d’autres approches, telles que le faire tourner, le secouer ou l’infuser d’oxygène au fur et à mesure qu’il grandit.
« Si je peux développer un poumon pour ma fille de son vivant, cela m’excite », dit Church.
Mais s’il est facile de se laisser emporter par l’excitation d’imprimer des orgues à la demande, il en existe aussi d’autres, des implications plus importantes qui nécessitent une réflexion. La perspective de pouvoir imprimer des organes humains est, après tout, susceptible d’avoir un impact profond sur la société Si les maladies cardio-vasculaires sont la principale cause de décès pour la plupart des Occidentaux – on estime qu’une personne sur trois en meurt – en remplaçant le cœur par un cœur plus jeune et en meilleure santé , pourrait potentiellement prolonger la durée de vie de plusieurs décennies. Il semble que tout le monde ne soit pas satisfait de cette idée.
Une approche qui est essayée est de vitate le tissu dans un champ magnétique au fur et à mesure qu’il grandit (Crédit : Yuri Kadobnov/)
« Nous avons eu des plaintes, avec un e-mail nous appelant ‘le mal incarné' », a déclaré Morris de BioLife4D. « Ils ont fait valoir que la capacité d’imprimer des organes et de prolonger ainsi la vie n’était pas juste étant donné la rareté des ressources entraînant déjà tant de souffrance et que prolonger la vie ne ferait que prolonger cette souffrance. »
Là sont d’autres cordes raides éthiques potentielles à marcher aussi.
« Et si certains parents demandent que le cœur de leur enfant de 12 ans soit remplacé par un plus gros afin qu’il pompe plus fort, avec une plus grande efficacité , et ainsi il devient l’athlète vedette à l’école », suggère-t-il. « Si nous pouvons imprimer un cœur avec deux valves, pourquoi ne pas en imprimer un avec deux valves supplémentaires intégrées ? Personnellement, j’ai des doutes ici – si l’évolution ne nous a pas déjà donné un cœur avec des valves supplémentaires, nous ne devrions probablement pas’ Mais si vous deviez remplacer un orgue de toute façon, je n’aurais aucune répugnance à le remplacer par un autre qui est en quelque sorte amélioré. »
Face au coût élevé de l’impression d’organes – en particulier s’ils sont cultivés en orbite – la délivrance de cœurs ou de poumons améliorés d’une manière ou d’une autre pourrait être un moyen d’attirer des personnes prêtes à payer pour ces techniques.
« Cela va être une question très controversée », déclare Ravi Birla, ingénieur tissulaire chez BioLife4D. « Si vous changez tout chez une personne, organe par organe, sans doute ce qui reste n’est pas l’humain qui est né, mais une autre créature. »
Il dit qu’à l’heure actuelle, l’accent est mis sur l’utilisation d’organes pour la chirurgie vitale, il y aura inévitablement des comparaisons avec l’esthétique chirurgie aussi. « La question est maintenant de savoir comment on dessine t il limite entre les deux », dit-il. « Et il est facile de voir comment on pourrait voir l’option pour des organes améliorés comme s’apparentant à l’utilisation de drogues améliorant la performance dans le sport – la plupart des gens peuvent être contre, mais ils sont toujours utilisés, ils sont toujours commercialisés. »
Mais peut-être que les utilisations les plus dramatiques de l’impression d’organes ne seront pas du tout ici sur Terre. Alors que les humains commencent à plonger plus profondément dans l’espace en En revenant d’abord sur la Lune, puis au-delà de Mars, la bio-impression pourrait être un outil essentiel au maintien de la vie. À des millions de kilomètres de la Terre, les donneurs d’organes seront rares, mais il en sera de même pour autre chose : la nourriture.
« C’est la pointe de la lance quant aux possibilités d’impression d’organes », explique Boland. Techshot, qui a financé en partie l’installation de la bio-imprimante sur l’ISS et a supervisé certaines des expériences d’exploitation à distance, assisté par l’astronaute Andrew Morgan,. La société a maintenant signé un accord avec la société de station spatiale Axiom Space pour installer le premier bio commercial -imprimante sur l’ISS aussi.
« Éventuellement, la bio-impression sera également importante pour l’exploration de l’espace lointain – pour l’impression de cellules animales destinées à l’alimentation ou de tissus en cas d’urgence médicale.
« En attendant, ces expériences sur l’ISS vont révéler certains des secrets de la bio-impression pour la faire fonctionner ici sur Terre en premier. C’est le vrai moment de saute-mouton. »
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