Comment l'ingénierie tissulaire crée de nouveaux organes de toutes pièces

La crise de la pénurie d'organes

Plus de 100 000 personnes rien qu'aux États-Unis figurent sur les listes d'attente de transplantation d'organes, et des milliers meurent chaque année avant qu'un donneur compatible ne soit trouvé. L'ingénierie tissulaire, une discipline qui fusionne la biologie, la médecine et l'ingénierie, vise à résoudre cette crise en cultivant des organes fonctionnels en laboratoire à partir des propres cellules d'un patient.

Le domaine a connu son premier succès marquant lorsque le chirurgien Anthony Atala du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine a implanté une vessie cultivée en laboratoire chez un patient en 1999. Depuis lors, les chercheurs ont mis au point de la peau, des vaisseaux sanguins, des trachées, des muscles et, plus récemment, un œsophage fonctionnel.

Comment ça marche : cellules, échafaudages et bioréacteurs

La construction d'un organe en laboratoire se déroule en trois grandes étapes.

1. Prélèvement et expansion des cellules

Les scientifiques commencent par une minuscule biopsie de tissu, parfois pas plus grande qu'un timbre-poste. Ils en isolent les types de cellules pertinents et les cultivent dans des milieux riches en nutriments. Selon les chercheurs de Wake Forest, une monocouche de cellules pourrait théoriquement couvrir un terrain de football en six semaines environ. Lorsque les propres cellules d'un patient ne peuvent pas être multipliées facilement, les cellules souches, capables de se transformer en de nombreux types de tissus, servent d'alternative.

2. Construction de l'échafaudage

Les cellules ont besoin d'une structure tridimensionnelle pour s'organiser en un organe fonctionnel. Les ingénieurs créent cette structure, appelée échafaudage, de deux manières :

• Décellularisation — Un organe de donneur est rincé avec des détergents et des enzymes qui éliminent toutes les cellules vivantes, laissant derrière elle la matrice extracellulaire (MEC), un squelette protéique fantomatique qui conserve la forme originale de l'organe et ses signaux biochimiques.
• Échafaudages synthétiques ou bio-imprimés — Des polymères biodégradables ou des hydrogels sont moulés ou imprimés en 3D dans la forme souhaitée, parfois avec des canaux intégrés qui imitent les vaisseaux sanguins.

L'échafaudage est ensuite ensemencé avec les cellules expansées du patient dans un processus appelé recellularisation.

3. Maturation dans un bioréacteur

L'échafaudage ensemencé est placé à l'intérieur d'un bioréacteur, une chambre qui imite les conditions du corps, fournissant la température, le flux d'oxygène et la contrainte mécanique. Pendant des jours ou des semaines, les cellules se multiplient, se différencient et s'intègrent dans un tissu fonctionnel. Ce n'est qu'alors que l'organe artificiel est prêt à être implanté.

Ce qui a déjà été transplanté

L'ingénierie tissulaire suit une échelle de complexité approximative. Les tissus plats comme la peau ont été les plus faciles à maîtriser et sont une pratique clinique courante depuis des décennies. Les organes tubulaires sont venus ensuite : l'équipe d'Atala a implanté des vessies cultivées en laboratoire chez sept jeunes patients, et des suivis de plus de sept ans ont montré une amélioration soutenue, a rapporté Wake Forest. Une trachée dérivée de cellules souches a été transplantée chez un adulte, puis chez un enfant, par une équipe dirigée par Martin Birchall, marquant la première transplantation pédiatrique d'un organe issu de l'ingénierie tissulaire.

Dernier jalon en date, des scientifiques du Great Ormond Street Hospital et de l'University College London ont créé une greffe œsophagienne de 2,5 centimètres, l'ont ensemencée avec les propres cellules du receveur et l'ont implantée chez des porcs. En trois mois, la greffe s'est entièrement intégrée ; en six mois, elle avait développé des muscles, des nerfs et des vaisseaux sanguins fonctionnels capables de propulser la nourriture vers l'estomac.

Le défi des organes solides

Les cœurs, les foies, les reins et les pancréas restent le « Saint Graal » du domaine. Ces organes solides exigent des réseaux denses de vaisseaux sanguins pour fournir de l'oxygène en profondeur à l'intérieur du tissu, un problème appelé vascularisation qu'aucune équipe n'a entièrement résolu à l'échelle de la transplantation. Les chercheurs de Wake Forest ont construit un rein miniature capable de sécréter de l'urine, et plusieurs groupes ont démontré la présence de tissu cardiaque battant en laboratoire, mais la mise à l'échelle de ces prototypes à une taille clinique reste à des années.

Pourquoi c'est important

Parce que les organes artificiels utilisent les propres cellules d'un patient, ils évitent les deux plus gros problèmes de la transplantation conventionnelle : la pénurie de donneurs et le rejet immunitaire. Les patients n'auraient plus besoin de médicaments immunosuppresseurs à vie. À mesure que la bio-impression 3D améliore la résolution et que les conceptions des bioréacteurs deviennent plus sophistiquées, le domaine passe progressivement des tissus simples aux organes complexes qui pourraient un jour éliminer complètement les listes d'attente de transplantation.