Des chercheurs du National Eye Institute (NEI) des États-Unis ont mis au point un moyen de bio-impression 3D de tissus oculaires à l’aide de cellules souches de patients.

En utilisant leur approche, dans laquelle trois types différents de cellules choroïdiennes immatures sont imprimés sur un échafaudage biodégradable, les scientifiques affirment qu’il pourrait être possible de créer un approvisionnement illimité de tissus dérivés de patients. Celles-ci, à leur tour, ont le potentiel d’aider les médecins à mieux comprendre les mécanismes à l’origine des maladies rétiniennes dégénératives courantes, telles que la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA).

« Nos efforts de collaboration ont abouti à des modèles de tissus rétiniens très pertinents pour les maladies oculaires dégénératives », a déclaré Marc Ferrer, Ph.D., directeur du laboratoire de bioimpression tissulaire 3D au National Center for Advancing Translational Sciences des NIH. « Ces modèles de tissus ont de nombreuses utilisations potentielles dans les applications translationnelles, y compris le développement thérapeutique. »

Identifier de nouvelles façons de lutter contre la DMLA

Essentiellement une maladie qui brouille la vision centrale des patients, la DMLA est causée par divers facteurs, notamment l’âge, la génétique, la tension artérielle et des problèmes alimentaires. On comprend que ces déclencheurs provoquent la formation de dépôts de lipoprotéines appelés drusen à l’extérieur de la membrane de Bruch, une matrice extracellulaire (ECM) située entre la rétine et les capillaires choroïdiens de l’œil.

Ce phénomène empêche non seulement la membrane de réguler les nutriments et les déchets autour de l’œil, mais au fil du temps, provoque la dégradation de l’épithélium pigmentaire rétinien (RPE) dans sa barrière hémato-rétinienne externe, entraînant une perte de vision. Cependant, si les déclencheurs d’AMD sont bien connus, la façon dont il avance reste un mystère.

«Nous savons que la DMLA commence dans la barrière hémato-rétinienne externe», a expliqué Kapil Bharti, Ph.D., qui dirige la section NEI sur la recherche translationnelle sur les cellules oculaires et souches. « Cependant, les mécanismes d’initiation et de progression de la DMLA vers les stades secs et humides avancés restent mal compris en raison du manque de modèles humains physiologiquement pertinents. »

La barrière hémato-rétinienne externe est l’interface de la rétine et de la choroïde, y compris la membrane de Bruch et la choriocapillaire. Image via le National Eye Institute.

L’initiative de bioimpression 3D du NEI

Dans un effort pour faciliter la poursuite des recherches sur la progression de la DMLA, Bharti et son équipe ont mis au point un moyen de bio-impression 3D de tissus à partir de cellules souches de patients. Dans cette technique, les péricytes et les cellules endothéliales, composants clés des capillaires et des fibroblastes, qui donnent la structure des tissus, sont combinés dans un nouvel hydrogel. Ce gel est ensuite imprimé sur un échafaudage capable de soutenir la croissance cellulaire.

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Quelques jours après la création de prototypes d’échafaudages biodégradables, les scientifiques ont découvert que les cellules implantées avaient commencé à mûrir en un réseau capillaire dense. Le neuvième jour, les chercheurs ont décidé d’ensemencer des cellules épithéliales pigmentaires rétiniennes sur le revers de l’échafaudage, et au jour 42, ils ont découvert que les tissus avaient atteint leur « pleine maturité ».

Des analyses tissulaires ultérieures et des tests génétiques et fonctionnels ont montré que les tissus résultants ressemblaient et se comportaient de la même manière qu’une barrière hémato-rétinienne externe native. Sous stress induit, ils ont même présenté des schémas de dépôts de drusen sous l’EPR et une progression vers la DMLA tardive au stade sec, tandis que l’administration de médicaments anti-VEGF a supprimé la prolifération des vaisseaux et restauré la morphologie des tissus.

Ayant prouvé l’efficacité de leur approche, Bharti and co. utilisent maintenant leurs modèles de barrière hémato-rétinienne bio-imprimés pour continuer à étudier la DMLA. À l’avenir, l’équipe prévoit d’expérimenter l’ajout d’autres types de cellules à leur processus, tels que les cellules immunitaires, dans le but de créer des tissus plus réalistes qui leur permettront de faire de nouvelles découvertes.

« En imprimant des cellules, nous facilitons l’échange de signaux cellulaires nécessaires à l’anatomie normale de la barrière hémato-rétinienne externe », a ajouté Bharti. « Par exemple, la présence de cellules RPE induit des changements d’expression génique dans les fibroblastes qui contribuent à la formation de la membrane de Bruch – quelque chose qui a été suggéré il y a de nombreuses années mais qui n’a pas été prouvé jusqu’à notre modèle. »

Steve Verze a reçu la première prothèse oculaire imprimée en 3D au Royaume-Uni.  Photo via Moorfields Eye Hospital.
Steve Verze a reçu la première prothèse oculaire imprimée en 3D au Royaume-Uni. Photo via Moorfields Eye Hospital.

Le potentiel de traitement des yeux de l’impression 3D

Alors que la bio-impression 3D des tissus oculaires reste à un stade expérimental, l’impression 3D conventionnelle a été déployée dans la production de diverses autres procédures médicales optiques. En 2021, des chirurgiens du Centre médical israélien de Galilée (GMC) ont développé un moyen de traiter les fractures des orbites avec l’impression 3D et des lunettes de réalité augmentée (AR).

Plus tard cette année-là, une équipe de l’Université de Bâle a également dévoilé des implants poreux imprimés en 3D pour le traitement des fractures de l’orbite. Créés à l’aide d’une imprimante 3D Prusa i3 et d’un filament PEEK, les greffons de l’équipe seraient capables de surmonter la bioinertie de leur matériau grâce à leurs caractéristiques poreuses, qui pourraient être adaptées pour améliorer la réparation cellulaire.

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Ailleurs, dans un cas où l’œil d’un patient n’a pas pu être sauvé, les médecins du Moorfields Eye Hospital ont imprimé en 3D une prothèse oculaire pour un homme de Londres dans le besoin. Grâce à cette technologie, l’équipe a pu créer un œil artificiel avec un aspect plus réaliste qu’une prothèse acrylique traditionnelle qui pouvait être fabriquée dans un délai beaucoup plus court.

Les découvertes des chercheurs sont détaillées dans leur article intitulé « La barrière rétinienne externe en 3D bio-imprimée révèle le phénotype choroïdien dépendant de l’EPR dans la dégénérescence maculaire avancée.”

L’étude a été co-écrite par Min Jae Song, Russ Quinn, Eric Nguyen, Christopher Hampton, Ruchi Sharma, Tea Soon Park, Céline Koster, Ty Voss, Carlos Tristan, Claire Weber, Anju Singh, Roba Dejene, Devika Bose, Yu- Chi Chen, Paige Derr, Kristy Derr, Sam Michael, Francesca Barone, Guibin Chen, Manfred Boehm, Arvydas Maminishkis, Ilyas Singec, Marc Ferrer et Kapil Bharti.

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L’image en vedette montre un schéma de l’intérieur de l’œil humain. Image via le National Eye Institute.