À l'intérieur de l'effort pour imprimer des poumons et leur insuffler la vie avec des cellules souches

Avec l'aimable autorisation de 3D Systems

Le mois dernier, j'ai eu la chance de tenir une réplique de la partie supérieure d'une voie respiratoire humaine - la trachée plus les deux premières bronches. Il avait été fabriqué à partir de collagène, le ciment biologique qui maintient nos corps ensemble. C'était glissant et creux, avec la consistance de pâtes pas assez cuites.

La structure avait émergé d'une imprimante 3D de la taille d'un réfrigérateur à Manchester, dans le New Hampshire, dans un avant-poste de United Therapeutics, une société qui gagne plus d'un milliard de dollars par an en vendant des médicaments pour traiter les affections pulmonaires.

Un jour, dit la société, elle prévoit d'utiliser une imprimante comme celle-ci pour fabriquer des poumons humains en quantités illimitées et pallier la grave pénurie d'organes de donneurs.

La bio-impression de tissus n'est pas une idée nouvelle. Les imprimantes 3D peuvent fabriquer de la peau humaine, voire des rétines. Pourtant, la méthode, jusqu'à présent, a été limitée aux tissus très petits ou très fins et dépourvus de vaisseaux sanguins.

United développe plutôt une imprimante qui, selon elle, sera capable, d'ici quelques années, de fabriquer un contour solide et caoutchouteux d'un poumon avec des détails exquis, y compris les 23 branches descendantes des voies respiratoires, les alvéoles d'échange de gaz et un délicat réseau de capillaires.

Un poumon fait de collagène n'aidera personne : c'est à un vrai poumon ce qu'un poulet en caoutchouc est à une vraie poule. Donc, United développe également des moyens d'imprégner la matrice avec des cellules humaines afin qu'elles s'y attachent et s'y enfouissent, la rendant vivante.

Nous essayons de construire les petites maisons en bâton pour les cellules, explique Derek Morris, chef de projet dans le groupe de fabrication d'organes de United.

Entrepreneur d'organes

Le projet d'impression 3D est le dernier d'une série d'efforts d'ingénierie lancés par la PDG de United, Martine Rothblatt, une ancienne entrepreneure de l'aérospatiale (elle était la PDG fondatrice de Sirius Satellite Radio) qui a changé de carrière dans les années 1990 après son fille a développé une maladie pulmonaire rare.

En créant United, Rothblatt a transformé une drogue abandonnée qu'elle avait récupérée pour 25 000 $ en une entreprise qui a fait d'elle la PDG le mieux payé de l'industrie biopharmaceutique l'année dernière -quand elle a également mis un record de vitesse dans un hélicoptère électrique. Rothblatt dit qu'elle s'attend à ce que des drones électriques transportent un jour les organes de son usine là où ils sont nécessaires.

United a déjà fait des paris risqués sur les organes. L'une de ses filiales, Revivicor, fournit aux chirurgiens des cœurs, des reins et des poumons de porcs génétiquement modifiés (ceux-ci ont jusqu'à présent été utilisés chez les babouins). Un autre, Lung Bioengineering, remet à neuf les poumons de donneurs humains en y injectant une solution chaude. Environ 250 personnes ont déjà reçu des poumons qui auraient autrement été désignés comme déchets médicaux.

Ne vous attendez pas à des orgues entièrement fabriqués bientôt. United, dans ses projections d'entreprise, prédit que cela ne se produira pas avant 12 ans. Rothblatt reconnaît que la structure imprimée que j'ai vue n'est qu'un début. Ce ne sont que deux branches et pas de cellules, dit-elle.

Même ainsi, l'effort de United pour imprimer des organes entiers, qui a débuté l'année dernière, est peut-être le plus important de l'industrie. Il a embauché une société de Caroline du Sud, 3D Systems, pour construire l'imprimante et paie une autre société, 3Scan, pour trancher les poumons et créer des cartes détaillées de leur intérieur. Il propose des offres d'emploi pour des postes tels que Mathématicien - Conception d'organes humains.

Le groupe de fabrication d'organes de United est situé dans le même complexe d'anciennes usines de textile que BioFabUSA, une initiative d'impression de tissus du ministère de la Défense de 80 millions de dollars. Dean Kamen, l'inventeur bien connu qui dirige BioFabUSA, explique que les rencontres avec Rothblatt l'ont amené à demander au gouvernement d'héberger l'institut. J'ai vu des miracles avec lesquels elle joue et la frustration de l'équipement qu'elle utilise pour le faire, dit-il. Pour Kamen, les biologistes sont gênés par ce qu'il appelle la technologie des flacons et des béchers du XIXe siècle.

impression en 3D

L'imprimante à collagène que 3D Systems utilise maintenant fonctionne selon une méthode appelée stéréolithographie. Un laser UV scintille à travers un bassin peu profond de collagène dopé avec des molécules photosensibles. Partout où le laser s'attarde, le collagène guérit et devient solide. Progressivement, l'objet en cours d'impression est abaissé et de nouveaux calques sont ajoutés.

PDG de United, Martine Rothblatt Andre Chung | Wikimédia Commons

L'imprimante peut actuellement déposer du collagène à une résolution d'environ 20 micromètres, selon United. Cependant, l'impression des détails anatomiques d'un poumon nécessitera des caractéristiques de taille inférieure à un micromètre.

Quand vous voyez la complexité du poumon, ce que la nature fait de la conception à la naissance, il n'y a aucun moyen de l'usiner ou de le modeler. L'impression 3D est le seul moyen dont nous disposons pour créer cette géométrie, déclare Pedro Mendoza, directeur de la bio-impression chez 3DSystems.

Mendoza indique que 3D Systems prévoit d'importer des techniques de l'industrie des semi-conducteurs, telles que des masques, des miroirs et des lasers plus puissants, pour améliorer la résolution de l'imprimante. La vitesse est également un problème. La structure que j'ai vue a pris 12 heures à imprimer. Un échafaudage pulmonaire complet et détaillé prendrait un an à construire avec la même imprimante.

Bioimpression

Certains tissus bio-imprimés sont sur le point de trouver des utilisations médicales. Une équipe en Espagne a imprimé de la peau qui, selon elle, pourrait être utilisée sur des patients brûlés. Pourtant, tous les mouchoirs fabriqués aujourd'hui sont fins comme du papier. Ils doivent l'être, car ils manquent de vaisseaux sanguins. Tout plus gros et un mouchoir mourraient de l'intérieur.

Alors que certains chercheurs ont imprimé des prototypes de vaisseaux sanguins vivants, ces efforts n'en sont qu'à leurs balbutiements. Jusqu'à présent, personne n'a réclamé un prix de 300 000 $ offert par la NASA au premier scientifique capable d'imprimer des tissus vivants d'un centimètre d'épaisseur. Une paire de poumons humains est beaucoup plus substantielle, pesant environ trois livres.

Certaines entreprises disent qu'il est encore prématuré de parler d'impression d'organes entiers. Nous pensons tous que cela sera possible à un moment donné dans le futur. Là où nous ne sommes pas d'accord, c'est sur le temps que cela prendra, explique Sharon Presnell, scientifique en chef d'Organovo, une société californienne qui imprime de fines feuilles élastiques de foie. Pouvez-vous obtenir quelque chose de cette taille avec un système vasculaire, et peut-il supporter une pression physiologique ? La plupart d'entre nous essayons de marcher avant de courir.

Ajout de cellules

Pas uni, cependant. Il dit que le problème avec d'autres efforts est qu'ils utilisent des méthodes d'extrusion, pressant les cellules et les protéines à travers de fines aiguilles. Luis Alvarez, le bio-ingénieur qui dirige le groupe de fabrication d'organes de United, compare l'impression de cellules à la poussée de ballons d'eau à travers une paille. Il dit, Votre résolution d'impression est limitée par la taille de la cellule.

Au lieu de cela, le plan de United est d'imprimer d'abord un échafaudage pulmonaire, puis de l'infuser avec des cellules humaines, un processus appelé recellularisation.

Il existe des preuves précoces qu'une matrice de collagène peut être transformée en un poumon fonctionnel. Cette année, dans une expérience partiellement financée par United, le chirurgien expérimental de l'Université de Harvard, Harald Ott, a rapporté qu'il avait pompé des milliards de cellules humaines (provenant de cordons ombilicaux et de poumons coupés en dés) dans un poumon de porc dépouillé de ses propres cellules. Lorsque l'équipe d'Ott l'a reconnecté à la circulation d'un porc, l'organe résultant a montré une fonction rudimentaire, bien que l'expérience n'ait duré qu'une heure.

Vous obtenez du sang dans le système et vous obtenez des échanges gazeux, explique Finn Hawkins, biologiste des cellules souches à l'Université de Boston, qui n'est pas impliqué dans le projet de United. C'est remarquable. Mais c'est un long chemin jusqu'aux organes transplantables.

Hawkins dit que les organes d'Ott manquaient de types de cellules importants, comme les cils ondulés qui éliminent les mucosités. De plus, on ne sait toujours pas comment obtenir des cellules humaines dans les quantités nécessaires pour approvisionner une future usine d'organes. Il n'y a pas assez de poumons humains de donneurs décédés pour répondre à la demande.

United dit qu'il prévoit d'utiliser des cellules souches pour fabriquer les tissus nécessaires dans ses laboratoires, mais ce n'est pas non plus une tâche facile.

Je pense que la bio-impression est peut-être la partie la moins problématique, dit Hawkins. Dès que vous mentionnez quelque chose de plus gros qu'une souris, je dirais qu'il est difficile de fabriquer cette quantité de cellules.

Nouveaux organes

Si les organes pouvaient être fabriqués en grand nombre, cela ne résoudrait pas seulement la pénurie d'organes. Cela pourrait éventuellement remodeler la durée de vie humaine. Qu'en est-il d'un nouveau cœur ou de nouveaux poumons à 80 ans ?

Pour y arriver, United devra réussir non pas un mais plusieurs moonshots technologiques. Pourtant, Alvarez dit que United prévoit que ses divers projets technologiques - l'échafaudage imprimé en 3D, la technique de recellularisation et ses efforts pour fabriquer du tissu pulmonaire à partir de cellules souches - se croiseront tous dans le futur.

Au moment où nous arriverons à imprimer la partie la plus fine du poumon, dit-il, nous saurons comment la recellulariser.

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