Oreilles, mâchoires, muscles à volonté : cette nouvelle imprimante 3D qui vient de démontrer qu’elle pourrait nous fournir en chair, en os et en organes

Atlantico : Le journal scientifique "Nature biotechnology" relate la création d'une imprimante 3D capable de reproduire des organes pouvant servir de greffes sur le corps humain. En quoi cette imprimante est-elle une innovation (comparaison avec d'autres types d'imprimantes qui ont déjà tenté de créer des organes humains) ?

Hervé Seitz : Le principe général de la technique, c'est de fabriquer des objets constitués à la fois d'une sorte de gélose contenant des cellules vivantes (qui pourront se multiplier, coloniser l'objet, fabriquer du cartilage...) et d'un composé plus rigide, qui donne une consistance à l'ensemble. Ce composé est biodégradable, si bien que quand les cellules auront fini de coloniser l'implant, elles auront finalement remplacé le composé rigide. Les précédentes tentatives s'étaient restreintes à des synthèses de petits implants, et dans les cas où ils avaient ensuite été implantés in vivo chez un animal, il s'était agi de structures souples (qui ne sont pas soumises à de fortes contraintes mécaniques) et de petite taille.

La nouveauté de cette étude, c'est que les auteurs ont pu fabriquer des structures de plus grande taille (de l'ordre de quelques centimètres de long, comme par exemple le cartilage d'une oreille humaine) et rigides (outre le cartilage d'oreille, ils ont notamment pu fabriquer un morceau d'os de mâchoire humain). Ils ont dû apporter plusieurs améliorations aux techniques existantes : en fabriquant des micro-canaux dans l'implant (de manière à ce que l'oxygène et les nutriments atteignent les cellules les plus internes, éloignées de la surface de l'implant ; cette astuce leur a permis de fabriquer des structures de grande taille, dont les cellules restaient vivantes même au beau milieu de l'implant) ; en synthétisant leur implant dans une sorte de matrice rigide, qui assure le maintien de l'ensemble pendant la synthèse, et qui est éliminée ensuite ; et en améliorant la précision spatiale de l'impression 3D, pour disposer les cellules à volonté au cours de la synthèse.

A quel stade de l'expérimentation en est l'équipe de chercheurs ?

Ils ont réussi à créer une variété d'implants : un os de mâchoire humain qui n'a pas été implanté in vivo mais dont ils ont pu vérifier que plus de 90% des cellules avaient survécu au processus d'impression 3D ; des morceaux d'os de crâne de rat, ensuite implanté dans des rats trépanés (ces implants se sont bien intégrés, ils se sont vascularisés, ce qui signifie que le système sanguin du rat a colonisé l'implant, assurant la survie des cellules osseuses à long terme) ; un cartilage d'oreille humaine (la forme du lobe d'oreille a d'abord été déterminée par imagerie médicale, et l'assemblage de cellules a été imprimé en 3D selon cet enregistrement) : en 5 semaines, les cellules de l'implant ont fabriqué du cartilage selon la forme souhaitée ; et du muscle de cuisse de souris (implanté à proximité d'un nerf de la cuisse chez des rats, l'implant s'est ensuite innervé : le système nerveux du rat est venu se connecter à ce nouveau muscle). Leur travail a donc abouti à la fabrication de différents implants, qui, lorsqu'ils ont pu être testés in vivo, ont été bien intégrés par l'organisme receveur. C'est une condition du succès de l'implant à long terme : il faut qu'il soit connecté au système sanguin de l'organisme (qui apportera oxygène et nutriments aux cellules de l'implant, sans quoi il se nécroserait), et s'il s'agit d'un muscle, il faut qu'il soit innervé, de façon à ce que le système nerveux puisse commander la contraction ou le relâchement du muscle.

Quels types d'organes humains cette imprimante 3D est-elle capable de remplacer ? Comment ?

La fabrication d'un morceau d'os de mâchoire humaine est très prometteuse : les chercheurs ont déterminé, par imagerie médicale, la forme exacte du trou dans la mâchoire d'un patient (qui avait subi un traumatisme qui lui avait fait perdre un morceau de l'os de la mâchoire inférieure). En mélangeant des cellules-souches humaines (prélevées dans le liquide amniotique d'une femme enceinte : ce sont des cellules-souches du fœtus, qui ont la possibilité de se différencier en cellules osseuses dans certaines conditions de culture) avec une matrice constituée de phosphate de calcium (la matière minérale de l'os) et d'un composé organique, ils ont pu, en 4 semaines, fabriquer un implant qui a exactement la forme qui permettrait de réparer la mâchoire du patient. Cette prothèse n'a pas été implantée dans le patient : les cellules-souches qui la constituent ne sont pas issues de ce patient, mais d'un fœtus sans lien de parenté avec lui (il faudrait s'attendre à un rejet de greffe si cette prothèse était implantée dans le patient : les cellules du fœtus seraient perçues par le système immunitaire du patient comme des cellules étrangères, et détruites). Mais on peut imaginer récupérer des cellules-souches dans le liquide amniotique pour chaque bébé à naître, les congeler et les garder en vue d'une utilisation future : d'un point de vue technique, les différentes étapes de la fabrication d'une prothèse vivante, sur-mesure, et constituée des propres cellules du patient, sont maintenant maîtrisées. En ce qui concerne les autres organes, on ne dispose pas encore de la même preuve de concept. Il est probable que, dans les années à venir, de nouvelles équipes réussissent à fabriquer d'autres organes humains avec le même succès, et que le catalogue d'organes « synthétisables » s'allonge.

Faudra-t-il remplacer régulièrement ces organes dans le temps ou la greffe vise-t-elle a être définitive ?

Non, il ne devrait pas être nécessaire de les remplacer, et c'est ça le gros avantage de ces implants « vivants », constitués de cellules qui parviennent à se diviser, à fabriquer du cartilage ou autres composés : ils se comportent comme l'organe qu'ils sont venus remplacer, et à ce titre, ils devraient avoir les capacités habituelles de régénération, cicatrisation, croissance, ... de la matière vivante. Ce sont les qualités des greffes telles qu'on les pratique depuis longtemps, mais ici, pas besoin de donneur de greffe : le greffon a été fabriqué en laboratoire.

Y a-t-il des organes qui resteront irremplaçables ? Pourquoi ?

Oui, en tout cas par cette technique : il faut bien voir que l'impression 3D permet simplement de disposer des cellules dans l'espace, et ensuite, laisser ces cellules travailler pour nous (si elles ont la capacité de fabriquer du cartilage de lobe d'oreille, elles fabriqueront un cartilage de la forme qu'on leur aura donnée à l'impression, etc.). Pour certains organes, ça semble suffire : dans un os, dans un muscle, probablement aussi dans le foie, il suffit d'avoir des cellules d'os, de muscle ou de foie correctement arrangées spatialement, et l'organe semble pouvoir remplir sa fonction habituelle (pour peu qu'il se vascularise et s'innerve correctement après la greffe). Mais il y a des propriétés biologiques qui dépendent de paramètres supplémentaires : par exemple dans le cerveau, la mémoire n'est pas due simplement à la présence de neurones quelconques à un certain endroit. Recréer un assemblage de neurones qui aurait la même géométrie macroscopique ne fabriquera pas un cerveau contenant les mêmes souvenirs ... Il faut craindre que, pour certains organes, malgré tout le soin qu'on apporte à l'agencement spatial des cellules, et au choix des cellules à injecter, l'organe synthétisé ne se comportera pas comme un organe naturel.

Cette imprimante est-elle susceptible de diminuer le temps d'attente des patients en demande de greffe ?

Oui, pour les patients en demande d'une greffe d'un organe synthétisable. Les délais de fabrication annoncés dans cette publication (quelques jours à quelques semaines, selon le type d'implant) sont bien inférieurs au temps d'attente habituel d'un donneur de greffe. La matière première (milieux de culture, matrice extracellulaire donnant de la rigidité en cours de synthèse) sont facilement accessibles, à l'exception notable des cellules : il faudrait disposer d'une banque de cellules-souches du propre patient à greffer. C'est quelque chose qui deviendra probablement une réalité dans les années à venir, mais qui ne se fait pas encore.

Peut-on envisager un jour que l'espérance de vie s'allonge grâce à cette imprimante 3D, voire pourquoi pas qu'elle conduise à terme à l'immortalité ?

C'est encore de la science-fiction : la publication dont nous parlons présente une preuve de concept, pour quelques organes bien précis. Effectivement, pour le patient qui a besoin d'une greffe de cet organe, on peut rêver pouvoir le lui remplacer à volonté. Hélas, la vieillesse n'est pas qu'une affaire de fractures d'os ou de dégénérescence musculaire : on est loin de pouvoir remplacer, pièce à pièce, un corps humain entier ...

Si l'impression 3D n'a pas conquis le public amateur, elle semble prendre de plus en plus d'importance dans le domaine de la recherche. Auriez-vous d'autres exemples d'utilisation de l'imprimante 3D dans le domaine de la médecine, ou dans un autre domaine de recherche ?

On observe, de temps en temps, des utilisations originales des imprimantes 3D en recherche, mais pour l'essentiel, elles servent à ... fabriquer des pièces détachées pour des appareils qui, sinon, pourraient être fabriqués classiquement. Mais le potentiel de cette nouvelle industrie est gigantesque ; effectivement, le grand public ne s'est pas encore équipé en masse en imprimantes 3D personnelles. Mais souvenez-vous qu'Internet a incubé pendant plusieurs décennies avant d'être connu, puis utilisé, par le grand public - avec le succès qu'on connaît : pratiquement chaque aspect de notre vie quotidienne, dans les pays occidentaux, a été modifié par Internet. Maintenant imaginez que, ce qu'Internet a permis en matière d'échange d'informations (désormais instantanées et pratiquement gratuites), pourrait bientôt être possible en matière d'échange d'objets ...

La technologie de pointe ne devrait pas faire exception, et il pourrait bientôt devenir plus rapide et moins coûteux de fabriquer un objet sur place, plutôt que de se le faire expédier depuis une usine : ce ne serait pas seulement les implants biologiques, mais également des cartes électroniques, des objets de structure complexe, qu'on pourrait être en mesure de fabriquer. Le monde de la recherche a été précurseur dans l'usage d'Internet (l'honnêteté m'oblige à dire que les chercheurs ont chipé l'idée chez les militaires ...) : au début des années 1990 déjà, les chercheurs s'étaient donné la possibilité d'accéder à de grosses bases de données scientifiques par Internet. Le grand public avait suivi avec une douzaine d'années de retard. Peut-être que la même évolution attend la technologie de l'impression 3D ...