Une équipe de recherche dirigée par l’Université de Boston a utilisé la technologie d’impression 3D pour développer une réplique miniature d’un cœur humain – et il bat comme un vrai.
Baptisée pompe microfluidique unidirectionnelle à précision cardiaque miniaturisée, alias miniPUMP, l’appareil a été créé à l’aide d’une combinaison de cellules cardiaques humaines dérivées de cellules souches et de pièces en acrylique imprimées en 3D à l’échelle microscopique. Conçue pour se comporter comme une véritable chambre cardiaque, la miniPUMP ne dépend d’aucune source d’énergie externe, mais bat par elle-même grâce à ses tissus vivants.
Les chercheurs pensent que leur réplique de chambre cardiaque pourrait servir de banc d’essai pour étudier le fonctionnement de l’organe dans le corps humain. Il peut être utilisé pour suivre la croissance du cœur dans un embryon, la façon dont le tissu cardiaque est affecté par les maladies et l’efficacité des nouveaux médicaments dans le traitement de ces maladies, le tout sans avoir besoin de tests sur l’homme.
« Nous pouvons étudier la progression de la maladie d’une manière qui n’était pas possible auparavant », déclare Alice White, professeure au Boston University College of Engineering. « Nous avons choisi de travailler sur le tissu cardiaque en raison de sa mécanique particulièrement compliquée, mais nous avons montré que, lorsque vous prenez la nanotechnologie et l’associez à l’ingénierie tissulaire, il existe un potentiel de réplication pour plusieurs organes. »
Le défi d’étudier le cœur
Selon les Centers for Disease Control and Prevention, les maladies cardiaques sont la principale cause de décès chez les hommes et les femmes aux États-Unis, avec environ 659 000 décès chaque année. C’est un décès sur quatre. En tant que tel, il est urgent d’étudier l’organe vital.
Cependant, en raison de son emplacement inaccessible dans le corps humain, le cœur est une chose délicate à étudier car il ne peut pas simplement être retiré, examiné et remplacé sur un coup de tête. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont essayé plusieurs approches alternatives : ils ont pompé manuellement du sang dans des cœurs de cadavres et ils ont chargé des tissus cardiaques en laboratoire pour les faire se dilater et se contracter. Malheureusement, nous n’avons pas encore trouvé de proxy réaliste approprié, car les cœurs réanimés ne peuvent pas battre indéfiniment et les ressorts ne se contractent pas comme de vraies fibres musculaires.
Grâce à des innovations telles que la miniPUMP, les chercheurs pourraient éventuellement imiter et étudier des maladies telles que l’hypertension et les maladies valvulaires de manière plus précise. Le dispositif devrait également rationaliser le processus de développement de médicaments pour les médicaments à venir, permettant des tests en laboratoire au lieu d’essais humains coûteux et fastidieux.
Comment la miniPUMP a-t-elle été développée ?
La miniPUMP ne mesure que trois centimètres carrés et comprend un échafaudage en acrylique imprimé en 3D à l’aide d’une écriture laser directe à deux photons, une forme très précise de micro-SLA. Les minuscules valves en acrylique à l’intérieur s’ouvrent et se ferment pour contrôler le flux de fluide, tandis que les tubes miniatures servent d’artères et de veines. Pour faire battre l’appareil, les chercheurs ont également intégré des cellules musculaires cardiaques appelées cardiomyocytes, différenciées des cellules souches pluripotentes.
La décision de rendre la miniPUMP si petite était délibérée, car les échafaudages en acrylique imprimés en 3D devaient être suffisamment solides pour supporter la structure mais suffisamment fins pour se plier et se déplacer avec le tissu cardiaque qui se contracte.
« Les éléments structurels sont si fins que les choses qui seraient normalement rigides sont flexibles », ajoute White. « Par analogie, pensez à la fibre optique : une vitre en verre est très rigide, mais vous pouvez enrouler une fibre optique en verre autour de votre doigt. L’acrylique peut être très rigide, mais à l’échelle impliquée dans la miniPUMP, l’échafaudage acrylique peut être comprimé par les cardiomyocytes battants.
En ce qui concerne les prochaines étapes, l’équipe de recherche miniPUMP vise à affiner la technologie et à trouver des moyens de la fabriquer de manière fiable. Le travail peut également éventuellement être appliqué à des patchs implantables qui peuvent réparer des défauts du cœur, ainsi que d’autres organes tels que le foie.
Le projet est mené dans le cadre de CELL-MET, un centre de recherche en ingénierie conjoint de la National Science Foundation sur les métamatériaux cellulaires dirigé par l’Université de Boston. L’objectif ultime du centre est de créer des dispositifs capables de régénérer les tissus cardiaques humains malades.
L’impression 3D de répliques et de modèles de cœur humain est quelque chose que nous avons déjà vu. Le mois dernier, des chercheurs de l’Université technique de Munich (TUM) et de l’Université d’Australie-Occidentale ont développé des valves cardiaques artificielles imprimées en 3D fabriquées à partir des propres cellules d’un patient qui se développent à mesure que l’individu vieillit. L’approche espère surmonter les inconvénients des prothèses valvulaires cardiaques conventionnelles, qui ne durent qu’un nombre limité d’années et nécessitent donc de multiples chirurgies de remplacement.
Ailleurs, des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences (CAS) ont récemment converti un bras robotique à six axes en une bio-imprimante 3D et l’ont utilisé pour fabriquer un échafaudage de vaisseaux sanguins de forme complexe. Le tissu cardiaque vascularisé imprimé en 3D est resté vivant et battant pendant six mois, et pourrait démontrer une méthode réalisable de bioimpression de tissus et d’organes fonctionnels à l’avenir.
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L’image en vedette montre une vue latérale de la miniPUMP prise en laboratoire. Photo via Jackie Ricciardi.
Olive Angelini a couvert l’informatique, la CAO et le BIM pour les magazines Building Design + Construction, Structural Engineer et CE News. Il a remporté six prix de l’American Society of Business Publications Editors et a fait partie de l’équipe de reportage du prix Jesse H. Neal 2012 pour la meilleure série d’histoires liées à un sujet.