Article de Rheolution
Qu’est-ce que la bio-impression 4D et son rôle en biomédecine ?
par le Dr Antoine Frayssinet,
spécialiste senior des applications chez Rheolution Inc.
En quoi la bio-impression 4D diffère-t-elle de l'impression 3D ?
Les objets imprimés en 3D et ensemencés de cellules, destinés à être implantés dans le corps humain, sont conçus pour soulager ponctuellement une dégénérescence ou une maladie spécifique. Cependant, ces implants sont statiques et inanimés, contrairement à l’environnement des tissus natifs, qui est dynamique et dans lequel les tissus sont soumis, au fil du temps, à des stimuli biophysiques, biochimiques et mécaniques fluctuants. Grâce à la bio-impression 4D, la communauté scientifique a récemment intégré le « temps » en tant que quatrième dimension : les échafaudages et les hydrogels ont la capacité d’évoluer au fil du temps après leur impression, soit de manière biologique, soit sous l’effet d’un stimulus externe.
Comment les stimuli déclenchent-ils un changement de forme dans les biomatériaux 4D ?
Tout d’abord, une déformation post-impression peut être provoquée en soumettant l’hydrogel à des stimuli physiques, par exemple un champ magnétique, un changement de température (par exemple avec du poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) ou du poly(ε-caprolactone) (PCL)), une irradiation lumineuse ou l’humidité (par exemple avec du polyéthylène glycol (PEG) bicouche). L’article du mois de la semaine dernière consacré à la bio-impression 4D présentait un exemple concret d’hydrogel à base d’alginate, sensible à la lumière et capable de se plier pour former des formes complexes en fonction de l’exposition à la lumière induite après l’impression. La complexité des formes conçues peut être tout à fait impressionnante : l’équipe du Dr Lewis a par exemple utilisé des fibrilles de cellulose mélangées à de l’acrylamide pour reproduire la structure d’une fleur d’orchidée à l’aide d’une encre composite biocompatible (figure ci-dessous) [3]. Ces hydrogels extrudés en vrac peuvent ainsi changer de forme après avoir été imprimés. L’effet souhaité après l’impression peut toutefois varier.
Comment la bio-impression 4D peut-elle permettre une libération contrôlée de médicaments ?
La forme peut être conçue au cours du processus d’impression grâce à une approche multi-échelle, par exemple par bio-impression à jet d’encre, et la libération des médicaments encapsulés peut être déclenchée par la suite. Des liposomes – des microsphères lipidiques à double couche imitant synthétiquement les membranes cellulaires – ont par exemple été imprimés en contenant deux concentrations différentes en sel. En tirant parti de ce gradient d’osmolarité induit, les auteurs ont pu façonner des macrosphères en 3D capables, en cas de variation de température ou de pH, de libérer les composants chargés à l’intérieur de chaque microsphère imprimée [4].
Que sont les micro-nageurs et comment fonctionnent-ils ?
Une autre équipe de l’ETH Zurich a mis au point des nano-hydrogels à base de gélatine méthacrylée (GelMA) photoréticulable et non cytotoxique. Spécialement conçus pour l’administration ciblée de médicaments, ces nano-hydrogels, également appelés « microswimmers », ont été rendus magnétiquement réactifs grâce à l’ajout de nanoparticules magnétiques à leur surface [5]. Imprimés sous une forme hélicoïdale afin d’optimiser leurs performances de nage dans les fluides corporels, ces « microswimmers » constituent des vecteurs de médicaments stables pouvant être guidés vers les tissus cibles à l’aide de champs magnétiques. Une fois en place, ils peuvent libérer le médicament dont ils ont été chargés, puis se dégrader rapidement (5 à 15 minutes) sous l’action de la collagénase (enzyme qui digère le collagène et la gélatine), en produisant des résidus de dégradation non cytotoxiques. Dans ce cas, la quatrième dimension s’exprime par la dégradation enzymatique du gel sur une courte période.
Comment les déclencheurs biologiques influencent-ils les biomatériaux 4D ?
En effet, des signaux biologiques tels que la concentration en glucose ou la présence d’enzymes spécifiques peuvent avoir un impact sur les hydrogels imprimés. Une étude conjointe menée par l’Université de Caroline du Nord (États-Unis) et l’Université de Soochow (Chine) a fait état, en 2018, d’un biomatériau à base de poly(alcool vinylique) (PVA) sensible aux espèces réactives de l’oxygène (ERO), produites biologiquement dans les microenvironnements tumoraux. Grâce à cette biodégradation programmée, l’hydrogel à base de PVA a permis de renforcer la réponse antitumorale in vivo et de prévenir la récidive tumorale en libérant localement le médicament antitumoral, avant de se dégrader au bout de trois semaines [6]. Selon le même principe, des biomatériaux sensibles au pH, tels que le collagène, la gélatine et la kératine, pourraient s’avérer utiles à proximité des sites inflammatoires, où les valeurs de pH baissent.
Comment les cellules induisent-elles la maturation en 4D des hydrogels ?
Les fonctionnalités des hydrogels régénératifs peuvent également être développées progressivement au fur et à mesure de la maturation de la matrice elle-même, les cellules ensemencées, en réponse à leur environnement, fonctionnant alors comme une micro-usine pour produire leurs propres matrices et profils phénotypiques, adaptés au tissu dégénéré ciblé (voir la figure ci-dessus). La nature de cette micro-production peut être modulée à l’aide de facteurs de croissance, de facteurs de différenciation (dans le cas de cellules souches ensemencées) ou, par exemple, en fonction des propriétés mécaniques de l’implant [7]. La prise en compte de cette activité cellulaire lors du développement d’un biomatériau destiné à un usage clinique n’est pas incompatible avec la stimulation post-impression du biomatériau elle-même. En s’inspirant d’une technique d’origami, Kuribayashi-Shigetomi et al. ont réussi à exploiter la force de traction cellulaire des fibroblastes (cellules fusiformes courantes) pour générer des microstructures 3D complexes telles qu’un cube, une sphère ou un tube creux. Dans ce cas, les cellules ont été ensemencées sur des microplaques de verre partiellement recouvertes de fibronectine. La quatrième dimension a été introduite grâce à la capacité de ces cellules à exercer une traction sur leur environnement au fil du temps, ce qui a permis de concevoir des échafaudages 3D [8].
Applications concrètes : stents et pansements intelligents
Ces dernières années, des biomatériaux imprimés en 4D ont fait l’objet de recherches en vue de la mise au point de stents – des structures creuses placées, par exemple, dans une artère ou une veine, afin d’en renforcer la structure. Le clinicien peut facilement insérer le stent enroulé à l’intérieur du tissu humain, puis, à l’aide d’un stimulus spécifique, le déployer afin qu’il soutienne efficacement le vaisseau humain. Des modèles performants ont été réalisés à partir d’un biomatériau à base de PEG méthacrylé, d’alginate ou d’acide hyaluronique [9][10]. Pour conclure cette brève revue par une dernière application, un pansement intelligent a également été mis au point par l’équipe du Dr Akbari au Canada : ce pansement détecte les infections bactériennes en surveillant le pH (grâce à un affichage extérieur de couleurs spécifiques, des marqueurs visuels dépendant du pH mesuré). Une fois l’infection détectée, l’hydrogel imprimé libère des agents antibiotiques au niveau de la plaie afin de lutter contre l’infection [11].
Quel est l'avenir de la bio-impression 4D dans le domaine des sciences de la vie ?
Avec ses nombreuses applications, la bio-impression 4D constitue une technologie très prometteuse pour le domaine biomédical. Il reste toutefois des défis à relever, tels que la maîtrise de l’alignement cellulaire afin de reproduire plus fidèlement les tissus naturels. Un exemple d’alignement cellulaire micro-anisotrope a été rapporté dans l’étude présentée dans notre Article du mois publié en mars. Un autre défi majeur consiste à mettre au point des bio-encres présentant des caractéristiques adaptées au tissu dégénéré ciblé, tant en termes de propriétés mécaniques, de population cellulaire et de phénotype que de nature et de complexité de la matrice extracellulaire. Dans l’ensemble, l’utilisation des différents procédés de bio-impression 3D présentés dans notre dernier Article de Rheolution En avril, la bio-impression 4D progresse de manière encourageante, passant des études de « validation de principe » aux applications cliniques.
ElastoSensᵐᶜ Bio
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Références
[1] Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., Xu, F., (2016). 4D Bioprinting for Biomedical Applications. Trends Biotechnology, Special Issue: Biofabrication, 34, 746–756.
[2] Yang, Q., Gao, B., Xu, F., (2020). Recent Advances in 4D Bioprinting. Biotechnology Journal, 15, 1900086.
[3] Sydney Gladman, A., Matsumoto, E.A., Nuzzo, R.G., Mahadevan, L., Lewis, J.A., (2016). Biomimetic 4D printing. Nature Materials, 15, 413–418.
[4] Villar, G., Graham, A.D., Bayley, H., (2013). A Tissue-Like Printed Material. Science, 340, 48–52.
[5] Wang, X., Qin, X.-H., Hu, C., Terzopoulou, A., Chen, X.-Z., Huang, T.-Y., Maniura-Weber, K., Pané, S., Nelson, B.J., (2018). 3D Printed Enzymatically Biodegradable Soft Helical Microswimmers. Advanced Functional Materials, 28, 1804107.
[6] Wang, C., Wang, J., Zhang, X., Yu, S., Wen, D., Hu, Q., Ye, Y., Bomba, H., Hu, X., Liu, Z., Dotti, G., Gu, Z., (2018). In situ formed reactive oxygen species-responsive scaffold with gemcitabine and checkpoint inhibitor for combination therapy. Science Translational Medicine, 10(429), eaan3682.
[7] Engler, A.J., Sen, S., Sweeney, H.L., Discher, D.E., (2006). Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification. Cell, 126, 677–689.
[8] Kuribayashi-Shigetomi, K., Onoe, H., Takeuchi, S., (2012). Cell Origami: Self-Folding of Three-Dimensional Cell-Laden Microstructures Driven by Cell Traction Force. PLOS ONE, 7, e51085.
[9] Ge, Q., Sakhaei, A.H., Lee, H., Dunn, C.K., Fang, N.X., Dunn, M.L., (2016). Multimaterial 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers. Scientific Reports, 6, 31110.
[10] Kirillova, A., Maxson, R., Stoychev, G., Gomillion, C.T., Ionov, L., (2017). 4D Biofabrication Using Shape-Morphing Hydrogels. Advanced Materials, 29(46).
[11] Mirani, B., Pagan, E., Currie, B., Siddiqui, M.A., Hosseinzadeh, R., Mostafalu, P., Zhang, Y.S., Ghahary, A., Akbari, M., (2017). An Advanced Multifunctional Hydrogel-Based Dressing for Wound Monitoring and Drug Delivery. Advanced Healthcare Materials, 6(19).
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