Le premier tissu neural imprimé en 3D se développe et fonctionne comme un cerveau humain
Des chercheurs ont utilisé une nouvelle technique pour imprimer en 3D des tissus cérébraux dont les cellules se sont transformées en neurones fonctionnels communiquant entre eux en l’espace de quelques semaines. Ils affirment que cette approche pourrait être utilisée pour étudier les cerveaux sains et malades, tester des médicaments ou simplement observer le développement du cerveau.
GIF d’entête, à partir de l’étude : reconstruction en 3D du tissu imprimé. (Y. Yan et col./ Cell Stem Cell)
La création d’un organe aussi proche que possible de la réalité est essentielle pour la recherche explorant la pathologie des maladies et testant de nouveaux médicaments. Le cerveau présente des difficultés particulières, notamment le fait que les neurones cultivés en laboratoire doivent former des connexions fonctionnelles et que le tissu cérébral doit soutenir une architecture complexe et délicate.
Des chercheurs de l’université du Wisconsin à Madison (UW-Madison/ Etats-Unis) ont réussi à imprimer en 3D un tissu cérébral qui se développe et fonctionne comme un cerveau normal.
Selon Su-Chun Zhang, auteur correspondant de l’étude :
Il pourrait s’agir d’un modèle extrêmement puissant qui nous aiderait à comprendre comment les cellules et les parties du cerveau communiquent chez l’homme. Il pourrait changer notre façon d’envisager la biologie des cellules souches, les neurosciences et la pathogenèse de nombreux troubles neurologiques et psychiatriques.
Les chercheurs ont cherché à construire un tissu neuronal stratifié dans lequel les cellules progénitrices neurales se développent et forment des connexions (synapses) à l’intérieur des couches et entre elles, tout en conservant la structure. Ils ont choisi un hydrogel de fibrine composé principalement de fibrinogène et de thrombine comme « bio-encre », ou biomatériau utilisé pour l’impression de tissus, parce qu’il est biocompatible avec les cellules neurales. Le fibrinogène et la thrombine jouent tous deux un rôle dans la coagulation du sang.
La viscosité élevée du gel de fibrine le rendant difficile à imprimer, les chercheurs l’ont mélangé à un hydrogel d’acide hyaluronique, notant qu’un grand nombre de cellules progénitrices neurales placées dans le mélange ont survécu et sont arrivées à maturité. L’ajout d’un autre hydrogène a rendu leur bio-encre plus souple que celles utilisées précédemment.
Plutôt que d’utiliser l’approche traditionnelle de l’impression 3D en couches empilées verticalement, qui nécessite une bio-encre rigide imprimée en couches épaisses, les chercheurs ont créé un tissu à motifs en imprimant horizontalement une fine couche ou bande de gel infusé dans les cellules à côté d’une autre. Pour éviter que les bandes imprimées ne se mélangent, la thrombine a été utilisée comme agent de réticulation immédiatement après le dépôt du mélange.
A partir de l’étude : conception du processus d’impression des tissus neuronaux en couches. La vidéo S1 montre le processus d’impression. HA, acide hyaluronique. HA pour acide Hyaluronique, GFP pour protéine fluorescente verte et les cellules mCherry sont des protéines fluorescentes rouges monomériques. (Y. Yan et col./ Cell Stem Cell)
Bien que les cellules imprimées soient restées dans les couches désignées, les neurones ont formé des connexions synaptiques fonctionnelles dans et entre les couches dans les deux à cinq semaines suivant l’impression.
Selon Zhang :
Le tissu a encore suffisamment de structure pour tenir ensemble, mais il est assez souple pour permettre aux neurones de se développer les uns dans les autres et de commencer à communiquer entre eux. Notre tissu reste relativement fin, ce qui permet aux neurones d’obtenir facilement suffisamment d’oxygène et de nutriments à partir du milieu de croissance.
Les chercheurs ont essayé d’imprimer des tissus cérébraux en utilisant différentes combinaisons de cellules dans la bio-encre.
Toujours selon Zhang :
Nous avons imprimé le cortex cérébral et le striatum, et ce que nous avons découvert est assez frappant. Même lorsque nous avons imprimé différentes cellules appartenant à différentes parties du cerveau, elles étaient encore capables de communiquer entre elles d’une manière très spéciale et spécifique.
Les chercheurs affirment que leur approche offre une précision sur les types et les dispositions des cellules que les organoïdes et d’autres méthodes d’impression n’offrent pas. De plus, la technique d’impression ne nécessite pas d’équipement spécial ni de méthodes de culture pour maintenir le tissu en bonne santé, ce qui signifie qu’elle devrait être accessible à de nombreux laboratoires.
Selon Zhang :
Notre laboratoire est très spécial en ce sens que nous sommes capables de produire à peu près n’importe quel type de neurones à n’importe quel moment. Nous pouvons ensuite les assembler presque à tout moment et de la manière qui nous convient. Comme nous pouvons imprimer le tissu par conception, nous disposons d’un système défini pour étudier le fonctionnement du réseau cérébral humain. Nous pouvons étudier très précisément la façon dont les cellules nerveuses communiquent entre elles dans certaines conditions, car nous pouvons imprimer exactement ce que nous voulons.
Il est prévu d’affiner la bio-encre et l’équipement pour permettre des orientations cellulaires spécifiques dans le tissu imprimé.
Selon Yuanwei Yan, premier auteur de l’étude :
Pour l’instant, notre imprimante est une imprimante de laboratoire commercialisée. Nous pouvons apporter quelques améliorations spécifiques pour nous aider à imprimer des types particuliers de tissus cérébraux à la demande.
Les chercheurs affirment que leur tissu cérébral imprimé pourrait être utilisé pour étudier la signalisation cellule-cellule dans la trisomie 21, les interactions entre les tissus sains et les tissus affectés par la maladie d’Alzheimer, tester de nouveaux médicaments ou simplement observer le développement du cerveau.
Selon Zhang :
Dans le passé, nous avons souvent étudié une chose à la fois, ce qui signifie que nous passons souvent à côté de certains composants essentiels. Notre cerveau fonctionne en réseau. Nous voulons imprimer le tissu cérébral de cette manière parce que les cellules ne fonctionnent pas seules. Elles communiquent entre elles. C’est ainsi que fonctionne notre cerveau, et il faut l’étudier dans son ensemble de cette manière pour vraiment le comprendre.
L’étude publiée dans la revue Cell Stem Cell : 3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity et présentée sur le site de l’université du Wisconsin à Madison : UW–Madison researchers first to 3D-print functional human brain tissue.