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5 Fév, 2024

Le premier tissu cérébral humain fonctionnel imprimé en 3D se développe comme le vrai tissu cérébral

Le premier tissu cérébral humain fonctionnel imprimé en 3D se développe comme le vrai tissu cérébral

Des chercheurs ont imprimé en 3D un tissu cérébral qui se développe et fonctionne comme un tissu cérébral normal.

Des chercheurs ont utilisé une nouvelle technique pour imprimer en 3D un tissu cérébral dont les cellules se sont transformées en neurones fonctionnels qui communiquent entre eux en quelques semaines. Ils affirment que cette approche pourrait être utilisée pour étudier les cerveaux sains et malsains, tester des médicaments ou simplement observer le développement du cerveau.

La création d’un organe aussi proche que possible de la réalité est essentielle pour la recherche explorant la pathologie des maladies et testant de nouveaux médicaments. Le cerveau présente des défis particuliers, notamment le fait que les neurones cultivés en laboratoire doivent former des connexions fonctionnelles et que le tissu cérébral doit soutenir une architecture complexe mais délicate.

Des chercheurs de l’université du Wisconsin-Madison (UW-Madison) ont réussi à imprimer en 3D un tissu cérébral qui se développe et fonctionne comme un cerveau typique.

« Il pourrait s’agir d’un modèle extrêmement puissant qui nous aiderait à comprendre comment les cellules et les parties du cerveau communiquent chez l’homme », a déclaré Su-Chun Zhang, auteur correspondant de l’étude. « Il pourrait changer notre façon d’envisager la biologie des cellules souches, les neurosciences et la pathogenèse de nombreux troubles neurologiques et psychiatriques. »

Les chercheurs ont cherché à construire un tissu neuronal stratifié dans lequel les cellules progénitrices neurales (CPN ou NPC en anglais pour Neural Progenitor Cells) mûrissent et forment des connexions (synapses) à l’intérieur et entre les couches, tout en conservant la structure. Ils ont choisi un hydrogel de fibrine composé principalement de fibrinogène et de thrombine comme « bio-encre », ou biomatériau utilisé pour l’impression de tissus, parce qu’il est biocompatible avec les cellules neurales. Le fibrinogène et la thrombine jouent tous deux un rôle dans la coagulation du sang.

La viscosité élevée du gel de fibrine le rendait difficile à imprimer. Les chercheurs l’ont donc mélangé à un hydrogel d’acide hyaluronique et ont constaté qu’un grand nombre de cellules neuronales placées dans le mélange ont survécu et sont devenues matures. L’ajout d’un autre hydrogène a rendu leur bio-encre plus souple que celles utilisées précédemment.

Plutôt que d’utiliser l’approche traditionnelle de l’impression 3D en couches empilées verticalement, qui nécessite une bio-encre rigide imprimée en couches épaisses, les chercheurs ont créé un tissu à motifs en imprimant horizontalement une fine couche ou bande de gel infusé dans les cellules à côté d’une autre. Pour éviter que les bandes imprimées ne se mélangent, la thrombine a été utilisée comme agent de réticulation immédiatement après le dépôt du mélange.

Bien que les cellules imprimées soient restées dans les couches désignées, les neurones ont formé des connexions synaptiques fonctionnelles dans et entre les couches dans les deux à cinq semaines suivant l’impression.

« Le tissu a encore suffisamment de structure pour tenir ensemble, mais il est assez souple pour permettre aux neurones de se développer les uns dans les autres et de commencer à se parler », a déclaré Su-Chun Zhang. « Notre tissu reste relativement fin, ce qui permet aux neurones d’obtenir facilement suffisamment d’oxygène et de nutriments à partir du milieu de croissance. »

Les chercheurs ont essayé d’imprimer des tissus cérébraux en utilisant différentes combinaisons de cellules dans la bio-encre.

« Nous avons imprimé le cortex cérébral et le striatum, et ce que nous avons découvert est assez frappant », explique Su-Chun Zhang. « Même lorsque nous avons imprimé différentes cellules appartenant à différentes parties du cerveau, elles étaient encore capables de communiquer entre elles d’une manière très spéciale et spécifique. »

L’auteur principal de l’étude, Yuanwei Yan, dans le laboratoire de Zhang à UW-Madison.

Les chercheurs affirment que leur approche offre une précision sur les types et les dispositions des cellules que les organoïdes et d’autres méthodes d’impression n’offrent pas. De plus, la technique d’impression ne nécessite pas d’équipement spécial ni de méthodes de culture pour maintenir le tissu en bonne santé, ce qui signifie qu’elle devrait être accessible à de nombreux laboratoires.

« Notre laboratoire est très spécial en ce sens que nous sommes capables de produire à peu près n’importe quel type de neurones à n’importe quel moment », assure Su-Chun Zhang. « Nous pouvons ensuite les assembler presque à tout moment et de la manière qui nous convient. Comme nous pouvons imprimer le tissu par conception, nous disposons d’un système défini pour étudier le fonctionnement du réseau cérébral humain. Nous pouvons étudier très précisément la façon dont les cellules nerveuses communiquent entre elles dans certaines conditions, car nous pouvons imprimer exactement ce que nous voulons.

Il est prévu d’affiner la bio-encre et l’équipement pour permettre des orientations cellulaires spécifiques dans le tissu imprimé.

« Pour l’instant, notre imprimante est une imprimante de laboratoire commercialisée », précise Yuanwei Yan, l’auteur principal de l’étude. « Nous pouvons apporter des améliorations spécialisées pour nous aider à imprimer des types spécifiques de tissus cérébraux à la demande. »

Les chercheurs affirment que leur tissu cérébral imprimé pourrait être utilisé pour étudier la signalisation cellule-cellule dans le syndrome de Down, les interactions entre les tissus sains et les tissus affectés par la maladie d’Alzheimer, tester de nouveaux médicaments ou simplement observer le développement du cerveau.

« Dans le passé, nous avons souvent étudié une chose à la fois, ce qui signifie que nous passons souvent à côté de certains composants essentiels », conclut Su-Chun Zhang. « Notre cerveau fonctionne en réseau. Nous voulons imprimer le tissu cérébral de cette manière parce que les cellules ne fonctionnent pas seules. Elles communiquent entre elles. C’est ainsi que fonctionne notre cerveau, et il faut l’étudier dans son ensemble de cette manière pour vraiment le comprendre. »

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(23)00439-3

https://news.wisc.edu/uw-madison-researchers-first-to-3d-print-functional-human-brain-tissue/