Une oreille artificielle créée à partir de cellules de cartilage auriculaire humain et d’encre biologique dans une imprimante 3D. (Image : Philipp Fisch / ETH Zurich)
Une oreille artificielle qui ressemble à une vraie : Des chercheurs ont fabriqué en laboratoire du cartilage d’oreille qui conserve sa forme dans un modèle animal. Il ne manque plus qu’un élément pour que le tissu devienne aussi élastique qu’une oreille naturelle.
| En bref – Des chercheurs ont fabriqué en laboratoire du cartilage d’oreille élastique à partir de cellules humaines, qui conserve sa forme dans un modèle animal. – Le tissu artificiel est aussi stable et flexible qu’une oreille naturelle. – Pour que l’oreille reste stable à long terme, sa flexibilité naturelle doit être encore mieux reproduite. |
Depuis plus de trente ans, des chercheurs tentent de fabriquer une oreille en laboratoire à partir de cellules vivantes de patients. En 2016 déjà, l’équipe de la professeure de l’ETH Marcy Zenobi-Wong avait créé la surprise en produisant une oreille à partir d’une imprimante 3D. Aujourd’hui, des chercheurs de l’ETH Zurich, de l’Institut Friedrich Miescher de Bâle et de l’Hôpital cantonal de Lucerne ont franchi une nouvelle étape importante vers leur objectif. Ils ont pu fabriquer en laboratoire, à partir de cellules de cartilage auriculaire humain, un cartilage auriculaire élastique dont les propriétés mécaniques sont proches de celles du tissu naturel. Le cartilage artificiel est aussi stable qu’une véritable oreille et a conservé sa forme et son élasticité dans le modèle animal, même après six semaines.
La recherche est pertinente, car il n’y a pas que des personnes qui perdent régulièrement une partie ou la totalité d’une oreille lors d’un incendie ou d’un accident. Certains enfants souffrent également d’une malformation congénitale de l’oreille externe.
Cette microtie concerne environ un à quatre enfants sur 10 000. Jusqu’à présent, la reconstruction avec du cartilage costal autologue est considérée comme la norme. L’intervention est douloureuse et peut provoquer des cicatrices ou des déformations au niveau de la poitrine. De plus, l’oreille reconstruite est souvent plus rigide qu’une oreille naturelle. Un défi pour les chercheurs.
« Nous n’implantons pas de tissu mou dans l’espoir qu’il devienne stable dans le corps. Nous voulons atteindre la stabilité dès le laboratoire », explique Philipp Fisch, premier auteur de la récente étude publiée dans la revue Advanced Functional Materials et collaborateur scientifique dans le groupe d’ingénierie tissulaire et de biofabrication de la professeure de l’ETH Marcy Zenobi-Wong.
L’élastine reste toutefois un défi majeur. C’est cette protéine qui confère à l’oreille sa souplesse. Les chercheurs doivent non seulement la produire, mais aussi la réticuler correctement et la stabiliser à long terme. Un « plan de construction » biologique précis pour cela fait encore défaut.
Du morceau de tissu à l’oreille imprimée
Les chercheurs ont utilisé comme matériau de départ des cellules provenant de petits restes de cartilage obtenus lors d’opérations de correction de la forme de l’oreille. Dans un premier temps, il est possible d’isoler cent mille cellules à partir d’un petit morceau de tissu d’environ trois millimètres de diamètre. Mais pour une oreille imprimée, il en faut plusieurs centaines de millions.
C’est pourquoi les chercheurs ont fait croître les cellules en laboratoire dans une solution nutritive spéciale. Pour que le tissu mûrisse de manière homogène, les chercheurs ont en outre développé un environnement de culture spécial afin que l’intérieur de l’oreille imprimée soit suffisamment alimenté en nutriments et en oxygène.
Pour ce faire, ils ont testé différents facteurs de croissance afin de favoriser la division cellulaire. Parallèlement, les chercheurs voulaient éviter que les cellules du cartilage auriculaire ne se comportent comme des fibroblastes. Ces cellules du tissu conjonctif produisent surtout du collagène de type I et peuvent former du tissu cicatriciel. Le résultat serait du fibrocartilage, c’est-à-dire un tissu plus souple avec du collagène de type I au lieu du collagène de type II et de l’élastine, plus rigides, typiques du cartilage auriculaire.
Les chercheurs ont ensuite intégré les cellules multipliées dans ce qu’ils appellent de l’encre biologique, un matériau gélatineux qui sert de sponsor. Ils en ont fait des structures d’oreille à l’aide d’une imprimante 3D. Immédiatement après l’impression, le tissu était encore très mou.
« Ce qui est décisif, ce n’est pas seulement ce que l’on met dedans, mais la manière dont le tissu peut se développer », explique Fisch. Les oreilles imprimées ont donc mûri pendant plusieurs semaines dans un incubateur, une couveuse, et ont été continuellement alimentées en nutriments. L’objectif était la formation de collagène de type II, d’élastine ainsi que de glycosaminoglycanes – des molécules de type sucre qui retiennent l’eau et contribuent à la solidité du cartilage.
Indéformable dans un modèle animal
Une combinaison de quatre facteurs a été décisive pour son succès, explique Fisch : « Nous avons optimisé la multiplication des cellules, adapté les propriétés des matériaux, augmenté la densité des cellules et mieux contrôlé l’environnement de maturation ». Après environ neuf semaines de pré-maturation en laboratoire, les chercheurs ont implanté les constructions d’oreilles sous la peau de rats. Là, ils ont observé les tissus pendant plusieurs semaines. Résultat : la forme est restée stable au bout de six semaines et les propriétés mécaniques étaient proches de celles du cartilage naturel. « Malgré ce grand succès, l’élastine qui n’a pas encore complètement mûri reste un défi pour nous », explique Fisch. « Nous observons des changements dans le tissu. Cela nous indique clairement que nous devons encore stabiliser cela ».
La vidéo montre le cartilage auriculaire artificiel fraîchement imprimé (à gauche), après neuf semaines de maturation en laboratoire (au centre) et après six semaines supplémentaires dans un modèle animal (à droite). (Vidéo : Philipp Fisch, CC BY 4.0)
Seuls quelques groupes dans le monde travaillent sur la production de cartilage auriculaire élastique. De plus, le processus de recherche prend beaucoup de temps : Une seule expérience dure environ trois à quatre mois. Les chercheurs combinent à chaque fois différentes conditions dans des expériences complexes afin de décrypter le plan de construction biologique encore manquant. L’élément décisif est la formation contrôlée d’un réseau d’élastine stable, afin que la forme de l’oreille soit maintenue à long terme.
Recherche patiente du plan de construction du réseau d’élastine
« Dans notre groupe, nous travaillons sur ce problème depuis plus de dix ans », explique Fisch. Pour les personnes extérieures, cela peut paraître long. « Mais dans la biofabrication de tissus, appelée ingénierie tissulaire, les progrès sont rarement visibles rapidement ».
Le cartilage d’oreille artificiel suscite un grand intérêt. « A peine l’étude était-elle parue que j’ai reçu un message de parents d’un enfant atteint de microtie », raconte Fisch. Ils voulaient savoir où en étaient les recherches et quand il fallait s’attendre à des études cliniques.
Fisch reste prudent : « Si tout se passe bien, nous espérons trouver le plan de construction du réseau d’élastine dans les cinq prochaines années ». Viendront ensuite les études cliniques, les procédures d’essai structurées et les processus d’autorisation formels. Ce n’est que lorsque ces obstacles réglementaires seront surmontés que le cartilage auriculaire artificiel pourra prendre le chemin du laboratoire vers la clinique.
« L’étude actuelle permet de bien situer l’état de la recherche », résume Fisch. « Elle montre à quel point nous sommes déjà proches de l’oreille naturelle – et ce qui manque encore ».
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