Une puce avec des vaisseaux sanguins naturels
Créer rapidement et de manière reproductible des vaisseaux sanguins artificiels dans des modèles d'organes miniatures
Comment étudier les effets d'un nouveau médicament ? Comment mieux comprendre l'interaction entre différents organes pour appréhender la réponse systémique ? En recherche biomédicale, les organes sur puce, également appelés systèmes microphysiologiques, prennent de plus en plus d'importance : en cultivant des structures tissulaires dans des puces microfluidiques contrôlées avec précision, il est possible de mener des recherches beaucoup plus précises que dans les expériences impliquant des êtres humains ou des animaux vivants.
Cependant, il existe un obstacle majeur : ces mini-organes sont incomplets sans vaisseaux sanguins. Pour faciliter les études systématiques et assurer des comparaisons significatives avec les organismes vivants, il faut créer un réseau de vaisseaux sanguins et de capillaires perfusables - d'une manière qui soit précisément contrôlable et reproductible. C'est exactement ce que vient de réaliser la TU Wien : l'équipe a mis au point une méthode utilisant des impulsions laser ultracourtes pour créer de minuscules vaisseaux sanguins de manière rapide et reproductible. Les expériences montrent que ces vaisseaux se comportent comme ceux d'un tissu vivant. Des lobules hépatiques ont été créés sur une puce avec succès.
De vraies cellules dans des microcanaux artificiels
"Si vous voulez étudier comment certains médicaments sont transportés, métabolisés et absorbés dans différents tissus humains, vous avez besoin des réseaux vasculaires les plus fins", explique Alice Salvadori, membre du groupe de recherche sur l'impression 3D et la biofabrication créé par le professeur Aleksandr Ovsianikov à l'université technique de Vienne.
Idéalement, ces vaisseaux sanguins doivent être créés directement dans des matériaux spéciaux appelés hydrogels. Les hydrogels fournissent un support structurel aux cellules vivantes, tout en étant perméables comme les tissus naturels. En créant de minuscules canaux dans ces hydrogels, il devient possible de guider la formation de structures semblables à des vaisseaux sanguins : les cellules endothéliales - les cellules qui tapissent l'intérieur des vrais vaisseaux sanguins dans le corps humain - peuvent s'installer à l'intérieur de ces réseaux de canaux. On obtient ainsi un modèle qui reproduit fidèlement la structure et la fonction des vaisseaux sanguins naturels.
Jusqu'à présent, le principal défi a été la géométrie : la forme et la taille de ces réseaux microvasculaires ont été difficiles à contrôler. Dans les approches basées sur l'auto-organisation, la géométrie des vaisseaux varie considérablement d'un échantillon à l'autre. Il est donc impossible de mener des expériences reproductibles et contrôlées avec précision, alors que c'est exactement ce dont on a besoin pour une recherche biomédicale fiable.
Amélioration de l'hydrogel et de la précision du laser
L'équipe de la TU Wien s'est donc appuyée sur une technologie laser avancée : à l'aide d'impulsions laser ultracourtes de l'ordre de la femtoseconde, des structures 3D très précises peuvent être inscrites directement dans l'hydrogel, rapidement et efficacement.
"Nous pouvons créer des canaux espacés d'une centaine de micromètres seulement. C'est essentiel pour reproduire la densité naturelle des vaisseaux sanguins dans des organes spécifiques", explique Aleksandr Ovsianikov.
Mais il ne s'agit pas seulement de précision : les vaisseaux sanguins artificiels doivent être formés rapidement et rester structurellement stables une fois qu'ils sont peuplés de cellules vivantes. "Nous savons que les cellules remodèlent activement leur environnement. Cela peut entraîner des déformations, voire l'effondrement des vaisseaux", explique Alice Salvadori. "C'est pourquoi nous avons également amélioré le processus de préparation des matériaux.
Au lieu d'utiliser la méthode standard de gélification en une seule étape, l'équipe a eu recours à un processus de polymérisation thermique en deux étapes : l'hydrogel est chauffé en deux phases, à des températures différentes, au lieu d'une seule. Cela modifie la structure de son réseau, produisant un matériau plus stable. Les vaisseaux formés dans ce matériau restent ouverts et conservent leur forme au fil du temps.
"Nous n'avons pas seulement montré que nous pouvions produire des vaisseaux sanguins artificiels qui peuvent être perfusés. Ce qui est encore plus important, c'est que nous avons mis au point une technologie extensible qui peut être utilisée à grande échelle : Nous avons mis au point une technologie évolutive qui peut être utilisée à l'échelle industrielle", déclare Aleksanr Ovsianikov. "Il ne faut que 10 minutes pour reproduire 30 canaux, ce qui est au moins 60 fois plus rapide que les autres techniques.
Simuler l'inflammation : Des réactions naturelles sur une puce
Pour que les processus biologiques puissent être modélisés de manière réaliste sur une puce, les tissus artificiels doivent se comporter comme leurs homologues naturels. C'est également ce qui a été démontré :
"Nous avons montré que ces vaisseaux sanguins artificiels sont colonisés par des cellules endothéliales qui réagissent comme les vraies cellules du corps", explique Alice Salvadori. "Par exemple, ils réagissent à l'inflammation de la même manière, en devenant plus perméables, tout comme les vrais vaisseaux sanguins.
Il s'agit là d'une étape importante vers l'établissement de la technologie des laboratoires sur puce en tant que norme industrielle dans de nombreux domaines de la recherche médicale.
Grand succès avec le tissu hépatique
"En utilisant cette approche, nous avons pu vasculariser un modèle de foie. En collaboration avec l'université de Keio (Japon), nous avons mis au point un lobule de foie sur puce qui intègre un réseau vasculaire contrôlé en 3D, reproduisant fidèlement la disposition in vivo de la veine centrale et des sinusoïdes", explique Aleksandr Ovsianikov.
"La reproduction de la microvasculature dense et complexe du foie est depuis longtemps un défi pour la recherche sur les organes sur puce. En construisant plusieurs couches de microvaisseaux couvrant tout le volume du tissu, nous avons pu assurer un approvisionnement adéquat en nutriments et en oxygène, ce qui a permis d'améliorer l'activité métabolique dans le modèle hépatique. Nous pensons que ces progrès nous rapprochent de l'intégration de la technologie des organes sur puce dans la recherche préclinique de médicaments", déclare Masafumi Watanabe (Université Keio).
"La technologie OoC et la technologie laser avancée fonctionnent bien ensemble pour créer des modèles plus fiables de vaisseaux sanguins et de tissus hépatiques. Une avancée importante est la capacité de construire de minuscules tissus sur une puce qui permettent à un liquide de circuler à travers eux, de la même manière que le sang circule dans le corps. Cela permet aux chercheurs de mieux comprendre comment le flux sanguin affecte les cellules. La technologie OoC permet également d'observer de près la réaction des cellules au microscope. Ces modèles aideront les scientifiques à étudier le fonctionnement du corps et pourraient permettre d'améliorer les traitements et les soins de santé à l'avenir", déclare le professeur Ryo Sudo de l'université Keio.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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