{{{sourceTextContent.title}}}

La bio-imprimante 3D pourrait contribuer à accélérer le développement de médicaments

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Une imprimante 3D qui produit rapidement de grands lots de tissus biologiques personnalisés pourrait contribuer à rendre le développement de médicaments plus rapide et moins coûteux. Des nano-ingénieurs de l'université de Californie à San Diego ont mis au point la technologie de bio-impression à haut débit, qui imprime en 3D à une vitesse record - elle peut produire un ensemble de 96 puits d'échantillons de tissus humains vivants en 30 minutes.

{{{sourceTextContent.description}}}

Selon les chercheurs, le fait de pouvoir produire rapidement de tels échantillons pourrait accélérer le dépistage préclinique à haut débit des médicaments et la modélisation des maladies.

Le processus de développement d'un nouveau médicament par une société pharmaceutique peut prendre jusqu'à 15 ans et coûter jusqu'à 2,6 milliards de dollars. Il commence généralement par le criblage de dizaines de milliers de médicaments candidats dans des tubes à essai. Les candidats retenus sont ensuite testés sur des animaux, et ceux qui passent cette étape passent aux essais cliniques. Avec un peu de chance, l'un de ces candidats arrivera sur le marché en tant que médicament approuvé par la FDA.

La technologie de bio-impression 3D à haut débit développée à l'UC San Diego pourrait accélérer les premières étapes de ce processus. Elle permettrait aux développeurs de médicaments de constituer rapidement de grandes quantités de tissus humains sur lesquels ils pourraient tester et éliminer les candidats médicaments beaucoup plus tôt.

"Avec les tissus humains, on peut obtenir de meilleures données - de vraies données humaines - sur l'efficacité d'un médicament", a déclaré Shaochen Chen, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego. "Notre technologie peut créer ces tissus avec une capacité à haut débit, une reproductibilité élevée et une grande précision. Cela pourrait vraiment aider l'industrie pharmaceutique à identifier rapidement et à se concentrer sur les médicaments les plus prometteurs."

Les travaux ont été publiés dans la revue Biofabrication.

Les chercheurs notent que si leur technologie n'élimine pas les tests sur les animaux, elle pourrait minimiser les échecs rencontrés lors de cette étape.

"Ce que nous développons ici, ce sont des systèmes complexes de culture cellulaire en 3D qui imiteront plus fidèlement les tissus humains réels et qui, nous l'espérons, amélioreront le taux de réussite du développement des médicaments", a déclaré Shangting You, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Chen et coauteur principal de l'étude.

La technologie rivalise avec d'autres méthodes de bio-impression 3D non seulement en termes de résolution - elle imprime des structures réalistes avec des caractéristiques microscopiques complexes, comme les tissus cancéreux du foie humain contenant des réseaux de vaisseaux sanguins - mais aussi de vitesse. L'impression d'un de ces échantillons de tissu prend environ 10 secondes avec la technologie de Chen, alors que l'impression du même échantillon prendrait des heures avec les méthodes traditionnelles. Cette technologie présente également l'avantage d'imprimer automatiquement des échantillons directement dans des plaques à puits industrielles. Cela signifie qu'il n'est plus nécessaire de transférer manuellement les échantillons, un par un, de la plate-forme d'impression aux plaques à puits pour le dépistage.

"Lorsque vous passez à l'échelle d'une plaque de 96 puits, vous parlez d'un monde de différence en termes de gain de temps - au moins 96 heures en utilisant une méthode traditionnelle plus le temps de transfert des échantillons, contre environ 30 minutes au total avec notre technologie", a déclaré Chen.

La reproductibilité est une autre caractéristique clé de ce travail. Les tissus produits par la technologie de Chen sont des structures hautement organisées, qui peuvent donc être facilement reproduites pour un dépistage à l'échelle industrielle. Il s'agit d'une approche différente de la culture d'organoïdes pour le criblage de médicaments, explique Chen. "Avec les organoïdes, on mélange différents types de cellules et on les laisse s'auto-organiser pour former une structure en 3D qui n'est pas bien contrôlée et qui peut varier d'une expérience à l'autre. Ainsi, ils ne sont pas reproductibles pour la même propriété, structure et fonction. Mais avec notre approche de bio-impression 3D, nous pouvons spécifier exactement où imprimer les différents types de cellules, les quantités et la micro-architecture."

Pour imprimer leurs échantillons de tissus, les chercheurs conçoivent d'abord des modèles 3D de structures biologiques sur un ordinateur. Ces modèles peuvent même provenir de scanners médicaux, de sorte qu'ils peuvent être personnalisés pour les tissus d'un patient. L'ordinateur découpe ensuite le modèle en instantanés 2D et les transfère à des millions de miroirs de taille microscopique. Chaque miroir est contrôlé numériquement pour projeter des motifs de lumière violette - d'une longueur d'onde de 405 nanomètres, sans danger pour les cellules - sous la forme de ces instantanés. Les motifs lumineux sont projetés sur une solution contenant des cultures de cellules vivantes et des polymères photosensibles qui se solidifient à la lumière. La structure est rapidement imprimée, couche par couche, de manière continue, créant ainsi un échafaudage polymère solide en 3D qui encapsule des cellules vivantes qui se développeront et deviendront des tissus biologiques.

Le réseau de micromiroirs à commande numérique est la clé de la vitesse élevée de l'imprimante. Comme il projette des motifs 2D entiers sur le substrat au fur et à mesure de l'impression couche par couche, il produit des structures 3D beaucoup plus rapidement que les autres méthodes d'impression, qui balaient chaque couche ligne par ligne à l'aide d'une buse ou d'un laser.

"Par analogie, on pourrait comparer la différence entre le dessin d'une forme à l'aide d'un crayon et d'un tampon", a déclaré Henry Hwang, étudiant en doctorat de nano-ingénierie dans le laboratoire de Chen, qui est également coauteur principal de l'étude. "Avec un crayon, vous devez tracer chaque ligne jusqu'à ce que vous ayez terminé la forme. Mais avec un tampon, vous marquez la forme entière en une seule fois. C'est ce que fait le dispositif à micromiroir numérique dans notre technologie. C'est une différence de vitesse de plusieurs ordres de grandeur."

Ces travaux récents s'appuient sur la technologie de bio-impression 3D que l'équipe de Chen a inventée en 2013. Il s'agissait au départ d'une plateforme permettant de créer des tissus biologiques vivants pour la médecine régénérative. Les projets passés incluent l'impression 3D de tissus hépatiques, de réseaux de vaisseaux sanguins, de tissus cardiaques et d'implants de moelle épinière, pour n'en citer que quelques-uns. Ces dernières années, le laboratoire de Chen a étendu l'utilisation de sa technologie à l'impression de structures inspirées du corail que les scientifiques marins peuvent utiliser pour étudier la croissance des algues et pour aider les projets de restauration des récifs coralliens.

Aujourd'hui, les chercheurs ont automatisé la technologie afin d'imprimer des tissus à haut débit. Allegro 3D, Inc, une entreprise dérivée de l'UC San Diego, cofondée par Chen et Wei Zhu, un ancien étudiant en nano-ingénierie de son laboratoire, a obtenu une licence pour cette technologie et a récemment lancé un produit commercial.