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Imprimer des organes en 3D

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L'imprimante 3D a la cote ! Chacun peut s'en procurer une pour quelques centaines d'euros et réaliser avec, figurines, pièces pour prototypes personnels, etc. Mais il est une technique particulièrement fascinante : la bio-impression 3D. L'impression de tissus vivants à partir d'une bio-encre.

Année 2263 : en à peine quelques dizaines de secondes, des chercheurs de New York parviennent à reconstituer parfaitement, par impression 3D, le corps d'une jeune femme de 22 ans à partir d'une simple main. Une scène tirée du film Le Cinquième Elément , de Luc Besson (1997). Pure science fiction ? Pas tout à fait...

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C'est même plutôt l'inverse ! Avec la démocratisation de l'imprimante 3D, on a tendance à croire que la bio-impression est une nouvelle technologie qui promet de révolutionner la médecine dans un futur proche. En réalité, et alors que l'ingénieur américain Charles Hull avait jeté les bases de l'impression 3D en 1986, la première expérience de bio-impression a été menée par l'un de ses concitoyens, Joseph Klebe, en 1988. Ses outils ? Une simple imprimante de bureau et de la fibronectine, une protéine présente dans la matrice extracellulaire.

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"Dans les années 1990, il y a des choses qui ont été faites avec des imprimantes de bureau ; ils ont nettoyé les cartouches d’encre à l’alcool, ils ont mis des cellules dedans, et ils ont imprimé sur un biopapier en se disant : 'Tiens, qu’est-ce que ça va faire ?'" Raphaël Devillard

Raphaël Devillard est docteur en chirurgie dentaire, maître de conférences à l’université de Bordeaux, praticien au CHU de Bordeaux et s’occupe au sein de l’INSERM et de l'équipe BioTis, du groupe "bio-fabrication, bio-impression". Il s'agit d'"améliorer les fonctions grâce à des technologies qui touchent à toutes les sciences du vivant, mais avec une approche très ingénieur ". Raison pour laquelle on appelle ce domaine de recherche, "l'ingénierie tissulaire".

Alors que le terme "bio-fabrication" désigne l'ensemble des techniques à disposition pour réparer un organe à l'aide de biomatériaux constitués, ou non, de cellules ("On pourrait parler de bio-fabrication lorsqu’on a des prothèses produites avec des matériaux sans cellules, et implantées ensuite ", détaille Raphaël Devillard), la bio-impression désigne l'impression d'éléments vivants, de cellules, avec des facteurs de croissance, sur un matériau bio-compatible.

_"Avec la bio-impression, on associe un ordinateur et une méthode de conception pour fabriquer un organe, ou un tissu, ou au moins un assemblage de cellules ; ça va nous aider à répondre à des questions scientifiques pour ensuite aller vers l’application clinique et la médecine régénératrice. * *Si on répare avec la biofabrication, on essaye de régénérer en accompagnant la cicatrisation, en faisant de la bio-impression." _Raphaël Devillard

Les cellules : une encre biologique, vivante

Mais comment est-il possible de réaliser une impression à partir de matière vivante ? Les cellules ne sont-elles pas en perpétuelle évolution ? "Les gens n’ont pas conscience de ça, mais les cellules ça se manipule facilement dans des flasques en plastique, des milieux de culture sous forme liquide. On travaille avec des cellules qui sont désunies et mises en suspension dans un liquide. On peut donc vraiment voir ça comme une encre biologique ", explique Raphaël Devillard.

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Bioimpression 3D, préparation de l'encre cellulaire
Bioimpression 3D, préparation de l'encre cellulaire

Et ce matériau vivant est issu de plusieurs sources d'approvisionnement : "Soit elles proviennent de lignées cellulaires commerciales, très réglementées. On les achète alors au sein de structures spécialisées : on reçoit les cellules, elles sont testées pour toutes les pathologies, il n’y a aucun risque, on a toute leur carte d’identité. Sinon on peut utiliser des cellules issues de souris ou d’humains. " L'équipe de Raphaël Devillard, elle, travaille sur des cellules souches humaines : "C’est ce qui va nous emmener après en clinique ". Elles sont récupérées soit à partir du cordon ombilical, soit de la pulpe des dents, soit du gras dans le tissu adipeux.

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A redécouvrir sur France Culture Plus : Impression 3D : pour quoi faire ?

La bio-impression 3D, comme toute impression, est tributaire d'un ordinateur, sans lequel il serait impossible de concevoir des modèles : "On fait un découpage de la donnée qu’on extrait à partir d’une IRM, une imagerie 3D. On va faire des découpages plan par plan pour avoir une succession de modèles 2D qu’on va empiler. " L'empilement, c'est l'imprimante 3D qui s'en charge. Mais il existe plusieurs techniques d'impression :

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A l’INSERM c’est la bio-impression assistée par laser que teste l’équipe BioTis depuis 2005.

L'épineux problème de la vascularisation

mpression de peau réalisée en juin 2014
mpression de peau réalisée en juin 2014

Pour l’instant, et malgré de premiers tests il y a déjà un quart de siècle, la bio-impression est une technique encore balbutiante. Sauf pour ce qui concerne les tissus de la peau : "Plusieurs équipes de chercheurs, aux Etats-Unis, travaillent sur des substituts de peau pour les soldats blessés. La peau présente moins de difficultés, c’est un tissu moins complexe : c’est relativement plat et donc plus facile à bio-imprimer. Et il ne s'agit pas d’un organe fonctionnel ayant besoin d’être vascularisé. ", explique Raphaël Devillard, qui dresse le bilan de ce qu'il est possible de réaliser aujourd'hui, grâce à la bio-impression. Dernier exploit en date : la production de tissu thyroïdien fonctionnel par une équipe russe :

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La peau bio-imprimée est un assemblage de cellules et de tissus. "Les cellules, même si on les organise, vont maturer, se développer, mais il n’y a pas de système de commande, il n’y a pas de système immunitaire par exemple ", explique Raphaël Devillard… Une peau qui est donc seulement partiellement fonctionnelle, du moins, jusqu'à ce qu'elle soit greffée sur un organisme.

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Et si l'on cherche à imprimer des tissus plus complexes que l'épiderme ? Des organes entiers ? Beaucoup plus difficile. Les deux freins majeurs sont la difficile vascularisation des organes bio-imprimés, et leur connexion avec l’organisme, une fois qu'ils sont greffés : "Vu que ce sont des systèmes dynamiques, il faut qu’il y ait un chef d’orchestre, et ce chef d’orchestre généralement, c’est l’organisme. Donc il faut que l’implant qu’on va greffer soit vascularisé, qu’il puisse éliminer les déchets produits par les cellules qui meurent par exemple ; il faut que les cellules immunitaires puissent venir dans le greffon et le défendre, au lieu de l’attaquer et de le reconnaître comme un élément extérieur. "

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C'est sur ce problème complexe que travaille l'équipe BioTis à l'INSERM : tenter de favoriser très tôt la vascularisation (leurs travaux portent plus précisément sur la vascularisation osseuse), bien en amont de l'implantation, pour que la connexion avec l'organisme se fasse rapidement.

"Si au bout de quelques heures, l’ensemble du greffon n’est pas vascularisé, il ne sera pas viable. C’est pour ça que pour l’instant ce sont de petites structures qui peuvent être bio-imprimées. On ne peut pas refaire un foie sans vascularisation, l’intérieur va être nécrosé très rapidement sinon." Raphaël Devillard

Bio-imprimante 3D laser
Bio-imprimante 3D laser

Les cellules constituant les greffons étant celles du patient (on parle alors d'"autogreffe "), il n'y a normalement aucun futur scandale sanitaire à prévoir concernant la bio-impression 3D. Encore que, prévient Raphaël Devillard, les collagène, adjuvants… et autres antiobiotiques injectés dans la culture de cellules, ne sont pas neutres. Mais il ne s'agit pas là d'un problème spécifique à la bio-impression 3D.

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Enfin, comme la bio-fabrication commence à avoir des applications médicales, des cadres et des limitations juridiques se mettent progressivement en place. "Par exemple, pour les prélèvements de cellules souches et leur utilisation pour la recherche, on est très encadrés. De notre côté, on réfléchit aussi aux utilisations futures : si on imprime un bout de peau, comment on va l’implanter dans le patient, quel sera le cadre légal… ?" Une façon de contourner un peu ces questionnements ? Ne pas sortir de la salle d'opération, car "c’est alors considéré comme une technique opératoire et plus facile à valider d’une point de vue réglementaire. "

Si la bio-fabrication avance à pas de géants, permettant notamment la réalisation sur mesure de prothèses moins onéreuses, la bio-impression, elle, tâtonne encore. Malgré tout, parviendra-t-on dans quelques dizaines d'années à rendre le film de Luc Besson réellement prémonitoire en bio-imprimant un individu entier ? Encore faudrait-il rendre possible l'impression 3D d'un cerveau. Et ça, c'est une autre histoire.

"Bio-imprimer un cerveau ? Je pense que ce ne sera jamais d’actualité, tout simplement parce que la conscience, c’est autre chose." Raphaël Devillard