Les maladies chroniques du foie touchent des millions de personnes dans le monde et lorsqu'un patient progresse vers une insuffisance hépatique terminale, le seul traitement définitif est la transplantation d'organes. Pourtant, la demande de foies donneurs dépasse de loin l'offre, avec des milliers de patients mourant chaque année sur des listes d'attente. En réponse, les chercheurs se tournent vers la médecine régénératrice et la bioimpression pour fabriquer des tissus fonctionnels du foie qui pourraient un jour combler l'écart.

Le besoin critique de tissus hépatiques vasculaires

Selon l'Organisation mondiale de la santé, les maladies du foie causent plus de deux millions de décès chaque année. Pour les patients atteints d'insuffisance hépatique aiguë ou chronique, la transplantation du foie est la norme d'or, mais le nombre d'organes donneurs disponibles a été stabilisé pendant que la demande continue de croître. Aux États-Unis seulement, plus de 10 000 personnes sont sur la liste d'attente pour une transplantation du foie, et beaucoup ne survivront pas assez longtemps pour en recevoir une.

Une solution viable serait d'inventer des tissus hépatiques fonctionnels qui peuvent être implantés directement dans le patient, en rétablissant la fonction sans avoir besoin d'un organe entier. Cependant, pour que le tissu hépatique soit conçu pour survivre après l'implantation, il doit avoir un réseau vasculaire intégré, des vaisseaux sanguins qui se connectent à la circulation du patient et fournissent de l'oxygène et des nutriments aux cellules encastrées. Sans une telle vascularisation, le noyau du tissu mourra d'hypoxie en quelques heures. C'est là que la bioimpression offre un avantage transformateur : la capacité de construire une couche de tissu par couche, en incorporant des canaux vasculaires exactement là où ils sont nécessaires.

Comprendre la bioimpression des lobules hépatiques

La bioimpression est une technique de fabrication additive qui dépose les cellules vivantes, les facteurs de croissance et les biomatériaux dans des modèles tridimensionnels précis pour recréer l'architecture tissulaire indigène.Pour les lobules du foie, les unités fonctionnelles en forme d'hexagone du foie qui mesurent généralement environ un à deux millimètres de diamètre, la bioimpression vise à reproduire l'arrangement complexe des hépatocytes, des canaux de bile et du réseau sinusoïdal des vaisseaux sanguins.

L'architecture biologique d'une lobule du foie

Pour apprécier le défi, considérez la microstructure naturelle du foie. Un lobule unique est organisé autour d'une veine centrale, avec des plaques d'hépatocytes rayonnant vers l'extérieur comme des rayons sur une roue. Entre ces plaques cellulaires sont des sinusoïdes – des canaux de type capillaire bordés de cellules endothéliales et de cellules Kupffer – qui transportent du sang du tractus portail à la périphérie vers la veine centrale. La bile est sécrétée dans la direction opposée. Cet arrangement polarisé assure que chaque hépatocytes se trouve dans quelques longueurs cellulaires d'une source de sang, permettant un échange efficace de gaz et de métabolites.

Composantes clés des lobules du foie bioimprimés

La bioimpression d'un lobule vasculaire nécessite une sélection minutieuse des types de cellules, des biomatériaux et des méthodes d'impression. Les éléments de construction essentiels sont les suivants:

  • Hépatocytes: Les cellules parenchymiques primaires du foie, responsables des fonctions métaboliques, y compris la désintoxication, la synthèse des protéines et la production de biles.Les hépatocytes humains primaires sont le standard d'or, mais ils sont difficiles à développer en culture; les hépatocytes dérivés des cellules souches pluripotentes (iPSC) induits sont une alternative prometteuse.
  • Cellules endothéliales:Cellules qui alignement l'intérieur des vaisseaux sanguins.Pour les sinusoïdes, les cellules endothéliales sinusoïdales du foie (CSLS) sont idéales parce qu'elles forment des capillaires fenestrés qui permettent le passage sélectif des molécules.Les cellules endothéliales veineuses humaines (CSHU) sont fréquemment utilisées comme substituts dans les recherches en début de phase.
  • Biogène de matrice extracellulaire (ECM): Hydrogel qui imite le foie naturel ECM, fournissant un support structurel et des repères biochimiques. Les bioinks communs comprennent le collagène de type I, le méthacryloyl gélatin (GelMA), l'alginate, l'acide hyaluronique et l'ECM décellularisation du foie.
  • Cellules de soutien : Les cellules stellées et les cellules Kupffer peuvent être incluses pour mieux émuler le microenvironnement et les fonctions immunitaires du foie, bien que de nombreux bâtiments actuels se concentrent sur l'appariement hépatocytaire-endothélial.
  • Canaux vulgaires: Pendant le processus d'impression, un bioink sacrificiel (par exemple, une gélatine ou une Pluronique F127) peut être déposé dans le modèle des vaisseaux sanguins désirés et ensuite enlevé par chauffage ou dissolution doux, laissant derrière lui un lumen creux qui peut être ensemencé avec des cellules endothéliales pour créer un réseau de vaisseaux brevetés.

Techniques d'impression: de l'extrusion aux méthodes basées sur la lumière

Plusieurs stratégies de bioimpression sont utilisées pour fabriquer des lobules hépatiques :

  • Extrusion bioimpression:[ Un système pneumatique ou mécanique pousse un hydrogel chargé de cellules à travers une buse dans un motif contrôlé. Cette méthode peut produire de grandes constructions mais peut soumettre les cellules à une contrainte de cisaillement. Il est bien adapté pour créer les canaux plus grands nécessaires à la vascularisation.
  • Biimpression sur demande (jet d'encre) :[ Utilise des impulsions thermiques ou piézoélectriques pour éjecter de petites gouttelettes de biopuits. Il offre une haute résolution mais a des densités cellulaires plus faibles et est plus adapté pour modéliser des facteurs de croissance ou une couche cellulaire mince.
  • La bioimpression à base de lumière (DLP et SLA): Le traitement de la lumière numérique (DLP) et la stéréolithographie (SLA) utilisent la lumière focalisée pour photopolymériser la couche de bioink par couche.Ces techniques fournissent une résolution exceptionnelle (jusqu'aux micromètres) et sont idéales pour capturer des détails fins comme les canaux biliaires.
  • Extrusion coaxiale:[ Un système à double nez qui imprime simultanément un noyau et une coquille, utiles pour créer un canal (noyau hollow) intégré à une coquille hydrogel chargée de cellules. Il s'agit d'une approche commune pour imprimer directement des canaux vasculaires.

La combinaison de ces techniques – par exemple, l'utilisation de DLP pour modéliser les plaques d'hépatocytes et l'extrusion pour former la veine centrale plus grande – permet aux chercheurs de construire un lobule hiérarchiquement organisé avec la résolution et l'échelle nécessaires. Une revue 2019 dans Nature Reviews Matériaux souligne comment l'intégration multitechnique pousse le champ vers des constructions hépatiques anatomiquement précises.

Relever le défi de la viccularisation

La viccularisation est le plus grand obstacle à la création de tissus hépatiques transplantables. Sans un apport sanguin perfusable, tout tissu plus épais qu'environ 200 micromètres souffrira d'oxygène et de privation de nutriments à son cœur. Dans les lobules hépatiques, le réseau sinusoïdal naturel assure que chaque hépatocytes est à quelques largeurs cellulaires de sang.

Stratégies pour la construction de réseaux vasculaires

Les chercheurs ont élaboré plusieurs approches pour créer des lobules vasculaires :

  • Templatation sacrinale:[ Un matériau formant un canal (comme la gélatine ou une cire soluble dans l'eau) est imprimé dans la géométrie souhaitée du récipient, puis enlevé, laissant un tube creux. Les canaux sont ensuite endothéliés par semis avec des cellules endothéliales. Cette méthode fonctionne bien pour les vaisseaux de grand diamètre (par exemple, une veine centrale ou une veine porte) mais devient plus difficile à l'échelle capillaire.
  • Incorporation de lit vulgaire: Un réseau microvasculaire préformé, tel qu'un échafaudage d'organe décellulé ou une puce microfluidique, est utilisé comme échafaudage sur lequel les hépatocytes sont ensemencés. La structure du vaisseau peut ensuite être ré-endothéliée.Cette approche sacrifie une certaine flexibilité de conception mais tire parti des modèles vasculaires naturels.
  • Vacilcularisation in situ: La construction est implantée et repose sur la réponse angiogène de l'hôte pour faire pousser de nouveaux vaisseaux dans le tissu. Des facteurs de croissance comme le VEGF peuvent être incorporés dans le bioink pour attirer les germes endothéliaux. Cependant, ce processus peut prendre des jours ou des semaines, et le noyau d'une construction épaisse peut devenir nécrotique avant que les vaisseaux envahissent.
  • Impression coaxiale:[ Comme mentionné, une buse à l'intérieur d'une buse permet le dépôt simultané d'un noyau sans cellule (de devenir un récipient) et d'une coque extérieure chargée de cellule. Cette technique gagne rapidement en popularité pour les structures tubulaires d'impression.

Une étude historique publiée dans Science Advances a démontré la bioimpression d'un tissu hépatique à l'échelle d'un centimètre contenant un réseau vasculaire breveté qui pourrait être perfusé avec du sang (lien vers le papier). Après transplantation sur des souris, les vaisseaux reliés à la circulation de l'hôte en une semaine et les hépatocytes ont maintenu leur fonctionnalité pendant des semaines.

Défis de bioimpression au-delà de la viccularisation

Bien que la vascularisation soit l'obstacle le plus important, plusieurs autres obstacles doivent être surmontés avant que les lobules hépatiques bioimprimés puissent être utilisés chez les patients.

Source de cellules et expansion

Les hépatocytes humains primaires sont le type de cellules préféré parce qu'ils sont entièrement différenciés et possèdent toutes les fonctions indigènes. Cependant, ils ne prolifèrent pas bien en culture et sont généralement récoltés à partir de tissus donneurs qui est également en manque d'approvisionnement. Les hépatocytes pluripotents induits (iPSC)-dérivés de cellules souches offrent une source illimitée et peuvent être appariés avec le patient pour l'immunocompatibilité. Pourtant, les protocoles de différenciation n'ont pas encore produit de cellules à pleine maturité et stabilité – ils expriment souvent des marqueurs foetal et ont réduit l'activité du cytochrome P450.

Formulation de biopuces

Le biopuce idéal doit supporter une grande viabilité cellulaire pendant l'impression, fournir une intégrité structurelle pour maintenir la forme complexe de lobule et se dégrader à la vitesse appropriée pour permettre aux cellules de remodeler la matrice. Il doit aussi avoir les bonnes propriétés mécaniques – trop rigides et les cellules perdent leur fonction, trop molles et les effondrements de construction. Pour le foie, une matrice relativement molle (module élastique autour de 1-10 kPa) est appropriée. De nombreuses encres sont basées sur des polymères naturels (par exemple gélatine, alginate, acide hyaluronique) qui peuvent être recoupés après impression.

Rejet d'une immunité

Même avec les iPSC dérivés du patient, il existe un risque de rejet immunitaire si les cellules ne sont pas parfaitement appariées ou si le biomatériau lui-même provoque une réponse du corps étranger. Les constructions allogéniques nécessiteraient une immunosuppression similaire à des transplantations d'organes entiers. Une voie est d'induire la tolérance immunitaire ou d'inventorier des cellules qui « cachent » du système immunitaire (par exemple, en exprimant des protéines de contrôle immunitaire).

Scalabilité et reproductibilité de la fabrication

Pour une transplantation, il faudrait un segment tissulaire contenant des centaines de lobules, plusieurs centimètres cubes en volume. Le débit actuel de bioimpression n'est pas suffisant pour construire une construction aussi grande et à haute résolution assez rapidement pour maintenir la viabilité des cellules. De nouveaux systèmes d'impression multi-nez et parallèles sont en cours de développement, mais le champ est encore en avance. De plus, le processus doit être conforme aux bonnes pratiques de fabrication (BPF) pour une utilisation clinique, exigeant un contrôle rigoureux de la qualité des cellules, des biopuits et des paramètres d'impression.

Faits nouveaux et frontières émergentes

Malgré les obstacles, le rythme des progrès dans la bioimpression du foie s'accélère. Plusieurs avancées récentes sont particulièrement remarquables.

Perfusion microfluidique dans les bioréacteurs

Une fois qu'un lobule bioimprimé est créé, il doit être maintenu dans un environnement contrôlé pour mûrir avant l'implantation. Les bioréacteurs qui perfusent les canaux vasculaires avec un milieu de culture oxygéné ont été démontrés pour améliorer de façon spectaculaire la fonction hépatocytes. Les chercheurs de l'Institut Wyss de Harvard ont développé une puce perfusable du foie sur une veine centrale bioimprimée et des sinusoïdes; la puce a maintenu la production d'albumine et d'urée pendant plus de 30 jours.

Bioimpression avec des organoides dérivés de l'iPSC

Les organoids, qui se sont eux-mêmes organisés en grappes de cellules 3D qui miment des organes miniatures, peuvent être utilisés comme « blocs de construction » dans les échafaudages bioimprimés. Par exemple, les organoids du foie contenant des hépatocytes, des cholangiocytes et des cellules stellaires ont été imprimés dans des structures de réseau.

Dans Vivo Efficience et modèles précliniques

Plusieurs groupes ont démontré que les structures implantées peuvent s'intégrer à la circulation des hôtes et produire des protéines hépatiques spécifiques à l'homme, telles que l'albumine et l'alpha-1 antitrypsine. Dans une étude publiée en 2023 dans Cell Reports Medicine[, un patch hépatique bioimprimé comprenant des hépatocytes humains dérivés de l'iPSC et des cellules endothéliales a partiellement sauvé la fonction hépatique dans un modèle de souris d'insuffisance hépatique aiguë, prolongeant ainsi la survie de 7 jours à plus de 30 jours.

Traduction clinique et voies réglementaires

Aux États-Unis, la FDA classifierait probablement un produit comme un produit combiné (dispositif + biologique), nécessitant une application de nouveau médicament expérimental (IND) ou une exemption d'instrument. La preuve de l'innocuité, de la stérilité, de l'absence de tumorigénicité et de la fabrication uniforme sera obligatoire. Compte tenu de la complexité, les dirigeants de l'industrie estiment qu'un premier essai clinique sur un implant hépatique bioimprimé est à l'écart d'au moins cinq à dix ans, et que les premières applications sont vraisemblablement possibles pour des thérapies « de pont » – des dispositifs de soutien temporaire pour les patients en attente d'un organe donneur – plutôt que pour un remplacement permanent.

Une application à plus court terme est l'utilisation de lobules hépatiques bio-imprimés comme modèles de maladie et plates-formes de dépistage des médicaments. Ces dispositifs «livraison sur puce» peuvent intégrer des cellules spécifiques aux patients pour modéliser des maladies génétiques du foie ou pour tester la toxicité des médicaments.

Perspectives d'avenir

La bioimpression des lobules hépatiques vasculaires progresse sur deux voies parallèles : l'une visant la transplantation et l'autre la modélisation in vitro. Bien que l'objectif de la transplantation demeure ambitieux, la convergence de nouvelles formulations de bioink, des têtes d'impression multimatériaux à haute résolution et une meilleure différenciation des cellules souches progressent le champ avec une vitesse croissante. L'intégration de l'intelligence artificielle pour optimiser les paramètres d'impression et prédire la maturation tissulaire est une frontière émergente qui pourrait raccourcir les délais de développement.

Les futurs lobules peuvent inclure non seulement des hépatocytes et des cellules endothéliales, mais aussi des cellules de canal biliaire pour créer un système de drainage biliaire complet, et des cellules immunitaires pour créer un environnement plus physiologique. L'objectif ultime – un lobe du foie transplantable et vasculaire qui peut maintenir la vie chez un patient atteint d'insuffisance hépatique – est encore des années de la réalité, mais chaque avancée progressive le rapproche.

La promesse de réduire la dépendance envers les organes donneurs et d'offrir de l'espoir aux millions d'attentes pour une transplantation est un puissant motivateur. Avec un investissement continu et une collaboration interdisciplinaire, le lobule bioimprimé du foie peut un jour devenir un outil de routine dans la lutte contre la maladie du foie en phase terminale.