Des bioingénieurs créent le premier modèle de cerveau humain entièrement synthétique
infohightech ·
L'ingénierie tissulaire neuronale vise à reproduire l'environnement complexe du cerveau, la matrice extracellulaire, qui soutient la croissance, le développement et la connectivité des cellules nerveuses. Cet environnement est finement structuré et véhicule des signaux qui déterminent le comportement et les interactions cellulaires.
Les modèles 3D issus de l’ingénierie tissulaire présentent un fort potentiel pour imiter la structure et le fonctionnement complexes du cerveau. Cependant, il reste difficile de reproduire en laboratoire les subtilités de sa conception, car les méthodes actuelles ne permettent souvent pas de saisir les détails qui déterminent le comportement cellulaire.
Des scientifiques de l'Université de Californie à Riverside ont, pour la première fois, développé un tissu cérébral fonctionnel sans recourir à des matériaux d'origine animale ni à des revêtements biologiques. Leur innovation, baptisée BIPORES (Bijel-Integrated PORous Engineered System), offre une nouvelle plateforme entièrement synthétique pour l'ingénierie tissulaire neuronale.
Cette avancée majeure pourrait réduire considérablement, voire éliminer, le recours aux cerveaux d'animaux dans la recherche. Elle soutient également l'initiative menée par la FDA américaine visant à supprimer progressivement les tests sur les animaux dans le développement des médicaments.
Ce nouveau matériau est principalement composé de polyéthylène glycol (PEG), un polymère chimiquement neutre. Le PEG, à lui seul, agit comme du téflon sur les cellules : elles glissent facilement. Habituellement, il a besoin de l’aide de protéines telles que la laminine ou la fibrine pour empêcher les cellules de se détacher.
Des scientifiques ont précédemment mis au point une technique appelée STRIPS permettant de produire en continu des particules, des fibres et des films de très petite taille dotés de structures internes spongieuses. Cependant, jusqu'à présent, l'épaisseur de ces matériaux était limitée à environ 200 micromètres, en raison des contraintes liées au mouvement des molécules au sein du matériau lors de sa formation.
Pour pallier ce problème, les chercheurs ont mis au point le système BIPORES. Ce système associe des formes fibreuses à grande échelle à des motifs de pores complexes, inspirés des gels d'émulsion bicontinus à interface bloquée (bijels), des matériaux souples présentant des surfaces internes lisses en forme de selle. Ces fibres BIPORES sont fabriquées à partir d'une solution de PEG gélifiée, transformée en un réseau poreux et stabilisée par des nanoparticules de silice.
À l'aide d'un dispositif microfluidique sur mesure et d'une bio-imprimante, l'équipe a ensuite construit des structures 3D dotées de pores interconnectés et stratifiés. Ces structures permettent la libre circulation des nutriments et des déchets et favorisent la croissance cellulaire en profondeur. Testé avec des cellules souches neurales, le matériau a induit une forte adhésion cellulaire, la croissance des cellules et même la formation de connexions nerveuses actives.
« Grâce à sa stabilité, la structure ainsi créée permet de réaliser des études à plus long terme », explique le prince David Okoro, principal auteur de l’étude. « C’est particulièrement important, car les cellules cérébrales matures reflètent mieux le fonctionnement réel des tissus lors de l’étude de maladies ou de traumatismes pertinents. »
Pour construire l'échafaudage, l'équipe a utilisé un mélange liquide spécial composé de PEG, d'éthanol et d'eau. Le PEG étant peu miscible à l'eau, il se comporte comme de l'huile, tandis que l'éthanol assure un mélange homogène. Ce mélange circulait dans de minuscules tubes de verre.
Au contact d'un courant d'eau, les ingrédients ont commencé à se séparer. Un bref éclair de lumière a figé cet instant, créant une structure spongieuse percée de minuscules pores. Ces pores permettent à l'oxygène et aux nutriments de circuler librement, nourrissant ainsi les cellules souches qu'elle renferme.
« Ce matériau garantit aux cellules ce dont elles ont besoin pour croître, s'organiser et communiquer entre elles au sein d'amas semblables à ceux du cerveau », explique Iman Noshadi, professeure agrégée de bio-ingénierie à l'UCR. « Grâce à une structure qui imite plus fidèlement le vivant, nous pouvons concevoir des modèles de tissus permettant un contrôle beaucoup plus précis du comportement cellulaire. »
Pour l'instant, l'échafaudage ne mesure que deux millimètres de diamètre, mais l'équipe travaille actuellement à l'agrandir et a même soumis un nouvel article explorant comment la même approche pourrait être appliquée aux tissus hépatiques.
Leur vision à long terme ? Créer un réseau de mini-organes cultivés en laboratoire qui communiquent entre eux, à l’instar des systèmes vivants du corps humain. Ils visent des modèles non seulement stables et durables, mais aussi aussi fonctionnels que leur découverte majeure concernant le tissu cérébral.
« Un système interconnecté nous permettrait d'observer comment différents tissus réagissent à un même traitement et comment un problème dans un organe peut en influencer un autre », a expliqué Noshadi. « C'est un pas vers une compréhension plus intégrée de la biologie humaine et des maladies. »
Du point de vue du biomimétisme, cette approche de fabrication par couches imite bien mieux le comportement des tissus cérébraux. Elle constitue ainsi un outil précieux pour l'étude des maladies, l'évaluation de nouveaux médicaments et même le développement de traitements futurs visant à réparer ou remplacer les tissus neuronaux endommagés.
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202509452