« Une artère sur une puce » : des vaisseaux sanguins imprimés en 3D pourraient percer les secrets des AVC
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Une nouvelle technique d'impression 3D permet de créer des répliques anatomiquement précises de vaisseaux sanguins en seulement deux heures. Ce dispositif a déjà aidé des chercheurs à étudier les caillots sanguins responsables d'AVC et pourrait servir à tester de nouveaux médicaments sans recourir à l'expérimentation animale.
Des vaisseaux sanguins imprimés en 3D sur du verre, imitant l'anatomie vasculaire et la dynamique des fluides sanguins, pourraient constituer un outil précieux pour l'étude des causes des AVC, selon une nouvelle étude menée par une équipe de l'Université de Sydney. Cette technologie, dont les résultats ont déjà permis d'obtenir des informations importantes, pourrait également contribuer à tester de nouveaux médicaments adaptés aux patients souffrant de pathologies spécifiques.
Les maladies cardiovasculaires sont actuellement la principale cause de mortalité en Australie , une personne décédant d'une maladie cardiaque toutes les 12 minutes environ. En France, chaque année, 140 000 personnes sont victimes de maladies cardiovasculaires, 2e cause de mortalité dans l’Hexagone après les cancers
Bien qu'il existe des méthodes de diagnostic bien établies pour les maladies cardiovasculaires, il n'existe aucune méthode permettant de prédire les événements précoces qui conduisent à la formation de caillots sanguins dans les artères carotides.
« Nous ne nous contentons pas d'imprimer des vaisseaux sanguins ; nous imprimons de l'espoir pour des millions de personnes à risque d'AVC dans le monde. Grâce à un soutien et une collaboration continus, nous visons à rendre la médecine vasculaire personnalisée accessible à chaque patient qui en a besoin », a déclaré Charles Zhao, doctorant à l'École d'ingénierie biomédicale de la Faculté d'ingénierie.
Charles est ingénieur en mécanique de formation, mais il a été inspiré à entreprendre un doctorat en génie biomédical afin de créer quelque chose ayant un impact plus humain. Ses connaissances en dynamique des fluides se sont avérées inestimables lors de l'étude du flux sanguin dans les vaisseaux sanguins.
Charles Zhao examine une « artère sur une puce ». Crédit : Université de Sydney/Fiona Wolf
Ce modèle recrée des répliques anatomiquement précises de zones saines et malades des vaisseaux sanguins. Il reproduit notamment l'anatomie délicate des vaisseaux, ainsi que les déformations et les irrégularités de la paroi endommagée, une pathologie fréquemment observée chez les patients victimes d'un AVC.
Des chercheurs ont utilisé des scanners de patients victimes d'AVC comme modèles pour créer des mini-modèles, réduisant ainsi le modèle 3D original de l'artère carotide à une taille de 200 à 300 micromètres. Une artère carotide de taille normale mesure de 5 à 7 mm.
Les chercheurs ont également réussi à réduire le temps de fabrication de 10 heures à deux heures.
Les moules d'impression 3D traditionnels utilisent de la résine, un procédé long et coûteux en temps, présentant un taux d'erreur élevé. Mais les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode utilisant des lames de verre comme support.
De loin, les vaisseaux sanguins ressemblent à de délicates gravures sur du verre.
« En matière de diagnostic d’infarctus et d’AVC, la rapidité et la précision sont essentielles », déclare Charles, premier étudiant diplômé et membre fondateur du Laboratoire de mécanobiologie et de biomécanique (MBL) .
« Les cliniciens disposent généralement d'une fenêtre de décision d'environ 12 heures après l'apparition des symptômes. »
« Jumeau physique » des vaisseaux sanguins du patient
La méthode de « l'artère sur une puce » a permis de reproduire avec succès l'apparence physique des vaisseaux sanguins, et les simulations de flux sanguin ont généré une dynamique des fluides et un mouvement similaires à ceux du flux sanguin naturel.
Ce fut un moment décisif, car les chercheurs ont expliqué que le principal défi dans ce domaine était de recréer la dynamique des fluides sanguins à l'intérieur des vaisseaux. Ce détail est crucial car, chez les personnes à risque de maladie cardiaque, le sang est plus visqueux, ce qui influe sur sa circulation dans les vaisseaux.
« Il s’agit d’une initiative de bio-ingénierie inédite en Australie, et nos travaux visent à combler deux lacunes cruciales dans le diagnostic et la prévention des maladies cardiaques, sans recours à l’expérimentation animale », a déclaré le Dr Zihao Wang, ingénieur en chef postdoctoral du groupe MBL.
« Nous ignorons encore beaucoup de choses sur le fonctionnement interne de nos vaisseaux sanguins et sur les mécanismes qui déclenchent la formation de caillots. Il n'existe actuellement aucune plateforme de test personnalisée. Chaque patient est unique : la structure de ses vaisseaux sanguins et son sang varient d'une personne à l'autre, ce qui influence son risque de développer une maladie thromboembolique et ses options de traitement. »
Au cours des tests, les chercheurs ont pu observer, en temps réel et au microscope, la formation de caillots sanguins et le comportement des plaquettes, un élément crucial impliqué dans la coagulation sanguine pouvant entraîner un accident vasculaire cérébral.
Cette technologie a révélé que la friction et la force créées par le flux sanguin contre la paroi des vaisseaux sanguins jouent un rôle crucial dans le mouvement des plaquettes, qui régule la coagulation. Ce phénomène se produit en cas d'hypertension artérielle et d'athérosclérose, une maladie des artères.
Dans les zones où les vaisseaux sanguins étaient soumis à un stress important, les chercheurs ont constaté une augmentation de 7 à 10 fois du mouvement des plaquettes.
Le Dr Zihao Wang tient le dispositif vasculaire imprimé en 3D et assemblé. Crédit : Université de Sydney/Fiona Wolf
Le professeur Arnold Ju, chef de laboratoire et auteur principal de l'étude, a déclaré qu'ils avaient créé un « jumeau physique » des vaisseaux sanguins des patients, une réplique miniaturisée exacte qui se comporte comme l'original.
« Notre prochain défi consiste à intégrer l'intelligence artificielle à notre plateforme de biofabrication pour créer de véritables "jumeaux numériques" capables de prédire les accidents vasculaires cérébraux avant qu'ils ne surviennent, passant ainsi d'un traitement réactif à une prévention proactive », explique Helen Zhao, scientifique numérique postdoctorale et responsable des opérations du laboratoire MBL Ju.
« Imaginez un avenir où nous pourrons prendre le scanner d'un patient, imprimer rapidement un modèle de ses vaisseaux sanguins, tester sa réponse sanguine et utiliser l'IA pour prédire son risque d'AVC des années à l'avance. »
Le professeur Ju a déclaré que ces travaux sont l'aboutissement d'efforts de collaboration exceptionnels entre l'École d'ingénierie biomédicale de l'Université de Sydney, le Centre Charles Perkins et l'Institut de recherche cardiaque.
« Nous sommes profondément reconnaissants du soutien visionnaire de la Snow Medical Research Foundation et de la famille Snow, à travers la bourse Snow et la bourse Future Leader de la National Heart Foundation, qui a joué un rôle déterminant dans l'avancement de cette recherche transformatrice. »
« Les membres de mon Snow Lab ont fait preuve d'une remarquable capacité d'innovation dans le développement de cette technologie, et notre collaboration avec nos partenaires cliniques du Royal Prince Alfred Hospital et du Prince of Wales Hospital garantit que nos recherches répondent directement aux besoins réels des patients. Ceci illustre comment l'innovation en ingénierie peut transformer les soins de santé, en parfaite adéquation avec les objectifs futurs du Sydney Biomedical Accelerator (SBA) . »
« Nous ne nous contentons pas d'imprimer des vaisseaux sanguins ; nous imprimons de l'espoir pour des millions de personnes à risque d'AVC dans le monde. Grâce à un soutien et une collaboration continus, nous visons à rendre la médecine vasculaire personnalisée accessible à chaque patient qui en a besoin. »