Les chercheurs de la TU Wien ont développé une nouvelle méthode pour cultiver des tissus de remplacement, tels que du cartilage, en laboratoire à l’aide d’un processus d’impression 3D haute résolution unique qui crée des sphères poreuses pour la colonisation cellulaire. Cette technique permet l’assemblage de ces sphères sous n’importe quelle forme, les cellules se combinant pour former un tissu vivant uniforme, surmontant ainsi les défis antérieurs liés au contrôle de la forme et de l’intégration des tissus.
TU Wien a mis au point une nouvelle méthode de génération de tissus artificiels : les cellules sont cultivées dans des microstructures créées dans une imprimante 3D.
Est-il possible de cultiver des tissus en laboratoire, par exemple pour remplacer un cartilage blessé ? À la TU Wien (Vienne), une étape importante a désormais été franchie vers la création de tissus de remplacement en laboratoire – en utilisant une technique qui diffère considérablement des autres méthodes utilisées dans le monde.
Un procédé spécial d’impression 3D haute résolution est utilisé pour créer de minuscules sphères poreuses en plastique biocompatible et dégradable, qui sont ensuite colonisées par des cellules. Ces sphéroïdes peuvent ensuite être disposés selon n’importe quelle géométrie et les cellules des différentes unités se combinent parfaitement pour former un tissu vivant uniforme. Le tissu cartilagineux, avec lequel le concept a maintenant été démontré à la TU Wien, était auparavant considéré comme particulièrement difficile à cet égard.
De minuscules cages sphériques comme échafaudage pour les cellules
« Cultiver des cellules cartilagineuses à partir de cellules souches n’est pas le plus grand défi. Le principal problème est que vous avez généralement peu de contrôle sur la forme du tissu obtenu », explique Oliver Kopinski-Grünwald de l’Institut de science et technologie des matériaux de la TU Wien, l’un des auteurs de la présente étude. « Cela est également dû au fait que ces amas de cellules souches changent de forme avec le temps et rétrécissent souvent. »
Sphéroïde imprimé en 3D, rempli de cellules vivantes. Crédit : TU Vienne
Pour éviter cela, l’équipe de recherche de la TU Wien travaille avec une nouvelle approche : des systèmes d’impression 3D haute résolution au laser spécialement développés sont utilisés pour créer de minuscules structures en forme de cage qui ressemblent à des mini ballons de football et ont un diamètre d’à peine un tiers. d’un millimètre. Ils servent de structure de support et forment des blocs de construction compacts qui peuvent ensuite être assemblés dans n’importe quelle forme.
Les cellules souches sont d’abord introduites dans ces mini-cages en forme de ballon de football, qui remplissent rapidement complètement le minuscule volume. « De cette façon, nous pouvons produire de manière fiable des éléments tissulaires dans lesquels les cellules sont réparties uniformément et la densité cellulaire est très élevée. Cela n’aurait pas été possible avec les approches précédentes », explique le professeur Aleksandr Ovsianikov, chef du groupe de recherche sur l’impression 3D et la biofabrication à la TU Wien.
Grandir parfaitement ensemble
L’équipe a utilisé des cellules souches différenciées, c’est-à-dire des cellules souches qui ne peuvent plus se développer en aucun type de tissu, mais qui sont déjà prédéterminées pour former un type spécifique de tissu, en l’occurrence du tissu cartilagineux. De telles cellules sont particulièrement intéressantes pour les applications médicales, mais la construction de tissus plus volumineux est un défi lorsqu’il s’agit de cellules cartilagineuses. Dans le tissu cartilagineux, les cellules forment une matrice extracellulaire très prononcée, une structure en forme de maillage entre les cellules qui empêche souvent les différents sphéroïdes cellulaires de se développer ensemble de la manière souhaitée.
Si les sphères poreuses imprimées en 3D sont colonisées par des cellules de la manière souhaitée, les sphères peuvent être disposées dans n’importe quelle forme souhaitée. La question cruciale est maintenant : les cellules des différents sphéroïdes se combinent-elles également pour former un tissu uniforme et homogène ?
«C’est exactement ce que nous avons pu montrer pour la première fois», déclare Kopinski-Grünwald. « Au microscope, vous pouvez voir très clairement : les sphéroïdes voisins se développent ensemble, les cellules migrent d’un sphéroïde à l’autre et vice versa, elles se connectent de manière transparente et aboutissent à une structure fermée sans aucune cavité – contrairement à d’autres méthodes qui ont été développées. utilisé jusqu’à présent, dans lequel des interfaces visibles subsistent entre des amas de cellules voisins.
Les minuscules échafaudages imprimés en 3D confèrent à la structure globale une stabilité mécanique pendant que le tissu continue de mûrir. En quelques mois, les structures plastiques se dégradent, elles disparaissent tout simplement, laissant derrière elles le tissu fini dans la forme souhaitée.
Premier pas vers une application médicale
En principe, la nouvelle approche ne se limite pas au tissu cartilagineux, elle pourrait également être utilisée pour adapter différents types de tissus plus larges tels que le tissu osseux. Cependant, il reste encore quelques tâches à accomplir en cours de route : après tout, contrairement au tissu cartilagineux, il faudrait également incorporer des vaisseaux sanguins pour ces tissus au-dessus d’une certaine taille.
«Un premier objectif serait de produire de petits morceaux de tissu cartilagineux sur mesure qui pourraient être insérés dans le matériau cartilagineux existant après une blessure», explique Oliver Kopinski-Grünwald. « Quoi qu’il en soit, nous avons désormais pu démontrer que notre méthode de production de tissu cartilagineux à l’aide de micro-échafaudages sphériques fonctionne en principe et présente des avantages décisifs par rapport aux autres technologies. »
Les sphéroïdes peuvent être assemblés dans presque toutes les formes, par exemple dans les lettres T et U. Crédit : TU Wien
Est-il possible de cultiver des tissus en laboratoire, par exemple pour remplacer un cartilage blessé ? À la TU Wien (Vienne), une étape importante a désormais été franchie vers la création de tissus de remplacement en laboratoire – en utilisant une technique qui diffère considérablement des autres méthodes utilisées dans le monde.
Un procédé spécial d’impression 3D haute résolution est utilisé pour créer de minuscules sphères poreuses en plastique biocompatible et dégradable, qui sont ensuite colonisées par des cellules. Ces sphéroïdes peuvent ensuite être disposés selon n’importe quelle géométrie et les cellules des différentes unités se combinent parfaitement pour former un tissu vivant uniforme. Le tissu cartilagineux, avec lequel le concept a maintenant été démontré à la TU Wien, était auparavant considéré comme particulièrement difficile à cet égard.
De minuscules cages sphériques comme échafaudage pour les cellules
« Cultiver des cellules cartilagineuses à partir de cellules souches n’est pas le plus grand défi. Le principal problème est que vous avez généralement peu de contrôle sur la forme du tissu obtenu », explique Oliver Kopinski-Grünwald de l’Institut de science et technologie des matériaux de la TU Wien, l’un des auteurs de la présente étude. « Cela est également dû au fait que ces amas de cellules souches changent de forme avec le temps et rétrécissent souvent. »
Pour éviter cela, l’équipe de recherche de la TU Wien travaille avec une nouvelle approche : des systèmes d’impression 3D haute résolution au laser spécialement développés sont utilisés pour créer de minuscules structures en forme de cage qui ressemblent à des mini ballons de football et ont un diamètre d’à peine un tiers. d’un millimètre. Ils servent de structure de support et forment des blocs de construction compacts qui peuvent ensuite être assemblés dans n’importe quelle forme.
Les cellules souches sont d’abord introduites dans ces mini-cages en forme de ballon de football, qui remplissent rapidement complètement le minuscule volume. « De cette façon, nous pouvons produire de manière fiable des éléments tissulaires dans lesquels les cellules sont réparties uniformément et la densité cellulaire est très élevée. Cela n’aurait pas été possible avec les approches précédentes », explique le professeur Aleksandr Ovsianikov, chef du groupe de recherche sur l’impression 3D et la biofabrication à la TU Wien.
Grandir parfaitement ensemble
L’équipe a utilisé des cellules souches différenciées, c’est-à-dire des cellules souches qui ne peuvent plus se développer en aucun type de tissu, mais qui sont déjà prédéterminées pour former un type spécifique de tissu, en l’occurrence du tissu cartilagineux. De telles cellules sont particulièrement intéressantes pour les applications médicales, mais la construction de tissus plus volumineux est un défi lorsqu’il s’agit de cellules cartilagineuses. Dans le tissu cartilagineux, les cellules forment une matrice extracellulaire très prononcée, une structure en forme de maillage entre les cellules qui empêche souvent les différents sphéroïdes cellulaires de se développer ensemble de la manière souhaitée.
Si les sphères poreuses imprimées en 3D sont colonisées par des cellules de la manière souhaitée, les sphères peuvent être disposées dans n’importe quelle forme souhaitée. La question cruciale est maintenant : les cellules des différents sphéroïdes se combinent-elles également pour former un tissu uniforme et homogène ?
«C’est exactement ce que nous avons pu montrer pour la première fois», déclare Kopinski-Grünwald. « Au microscope, vous pouvez voir très clairement : les sphéroïdes voisins se développent ensemble, les cellules migrent d’un sphéroïde à l’autre et vice versa, elles se connectent de manière transparente et aboutissent à une structure fermée sans aucune cavité – contrairement à d’autres méthodes qui ont été développées. utilisé jusqu’à présent, dans lequel des interfaces visibles subsistent entre des amas de cellules voisins.
Les minuscules échafaudages imprimés en 3D confèrent à la structure globale une stabilité mécanique pendant que le tissu continue de mûrir. En quelques mois, les structures plastiques se dégradent, elles disparaissent tout simplement, laissant derrière elles le tissu fini dans la forme souhaitée.
Premier pas vers une application médicale
En principe, la nouvelle approche ne se limite pas au tissu cartilagineux, elle pourrait également être utilisée pour adapter différents types de tissus plus larges tels que le tissu osseux. Cependant, il reste encore quelques tâches à accomplir en cours de route : après tout, contrairement au tissu cartilagineux, il faudrait également incorporer des vaisseaux sanguins pour ces tissus au-dessus d’une certaine taille.
«Un premier objectif serait de produire de petits morceaux de tissu cartilagineux sur mesure qui pourraient être insérés dans le matériau cartilagineux existant après une blessure», explique Oliver Kopinski-Grünwald. « Quoi qu’il en soit, nous avons désormais pu démontrer que notre méthode de production de tissu cartilagineux à l’aide de micro-échafaudages sphériques fonctionne en principe et présente des avantages décisifs par rapport aux autres technologies. »
