L’impression 3D pour l’ingénierie tissulaire

Léa POURCHET, Christophe MARQUETTE

1. Institute of Chemistry and Molecular and Supramolecular Biochemistry Team Enzyme Engineering, Biomimetic Membranes and Supramolecular Assemblies, CNRS 5246 ICBMS, Université Lyon 1, Villeurbanne, France.

1

Promesse de l’ingénierie tissulaire = remplacer les tissus/organes endommagés ou non-fonctionnels.

Promesse du bioprinting = imprimer les tissus/organes, sur mesure, adapté chaque patient en fonction de sa pathologie.

Les deux approches sont très interdisciplinaires et complémentaires.

Introduction

2

A. Etat de l’art de l’ingénierie tissulaireB. Potentiel du bioprintingC. Plateforme 3d.fabD. Nos résultats

3

A. Etat de l’art de l’ingénierie tissulaire

4

5

Principales cellules impliquées

Peau• Kératinocytes (épiderme)

• Fibroblastes (derme)

• Cellules endothéliales

• Cellules dendritiques (système immunitaire)

Cartilage• Chondrocytes

ProtectionMaintien de la température corporelle

↘ forces de friction (fonction dynamique) transmission, répartition et amortissement des contraintes subies (fonction statique).

Perception Immunité

6

Principales cellules impliquées

Os• Ostéoblastes

• Ostéoclastes

Vaisseaux• Cellules endothéliales

• Cellules musculaires lisses

• Fibroblastes

Support des structures corporelles Protection des organes internesMouvement

Transport du sang à tout l’organisme Echanges (O2, CO2,…)

7

Stratégies et limites

Peau• Substitut cutanés (éponges de collagène ou tissus épidermiques) Coût élevé

• Autogreffes Cicatrices et soins supplémentaires

Cartilage• Autogreffes Tissus non fonctionnels (MEC, organisation cellulaire, propriétés

mécaniques)

Os

• Allogreffes Rejet immunitaire et pas de formation osseuse

• Substituts osseux : céramiques, biomatériaux d’origine naturelle (os bovin céramisé ou exosquelette de corail) ou synthétique (hydroxyapatite, phosphates tricalciques) Pas de forme personnalisée

Vaisseaux

• Pontages (dérivation en amont de la zone obstruée) Limité par l’âge du patient

• Prothèses vasculaires (PTFEe polytétrafluoroéthylène expansé ou le Dacron® polyéthylène téréphtalate) Vaisseaux de gros diamètre uniquement

8

L’approche classique se base sur la biofabrication de tissus grâce aux scafflods (dégradables ou non).

Pour résumer

Prometteuse mais non satisfaisante:- Souvent chronophage,- Peut provoquer une réaction immunitaire et inflammatoire,- Taux de dégradation du scaffold faible ou inexistant,- Toxicité des produits de dégradation,- Manipulation manuelle,- Procédé non industriel,- Peu de possibilité d’intégration multicellulaire,- Peu reproductible,- Manque de contrôle sur la micro-organisation des cellules.

C. Potentiel du bioprinting

9

Définition

Qu’est- ce que le bioprinting?

= le dépôt en 3D de biomatériaux contenant des cellules avec un contrôle de la structure finale

Plusieurs techniques :

10

Challenges techniques

• Formulation de la bio-encre : bonnes propriétés mécaniques, biocompatibilité, printabilité (= bonne résolution d’impression, haute viabilité cellulaire, viscosité adéquate, distribution cellulaire homogène).

• Paramètres d’impression : vitesse, débit, hauteur de couches…

• Concentration cellulaire suffisante.

• Modélisation des fichiers STL, disponibles à partir d’un scan et représentatif de la microstructure des tissus.

• Vascularisation.11

12

Bioprinting de peau

Fabrication de substituts cutanés (fibroblastes + kératinocytes) et mise en culture pendant 14 jours.

Lee et al. Design and Fabrication of Human Skin by Three-Dimensional Bioprinting Tissue Eng Part C Methods. 2014 Jun;20(6):473-84.

13

Bioprinting de cartilage

Marksted k. et al. 3D bioprinting human chondrocytes with nanocellulose-alginate bio-ink for cartilage tissue engineering applications. Biomacromolecules, 2015, 16 (5), pp 1489–1496

14

Bioprinting d’organe

+ 20 000 personnes en attentes de greffes en France, en 2014

Bioprinting d’une thyroïde de souris en Mai 2015 par une équipe de chercheurs russes (Bioprinting Solutions)

15

• Fabrication à la demande et sur-mesure de tissus biologiquescomplexes et personnalisables

• Combinaison de plusieursbiomatériaux et donc deplusieurs types cellulairesdifférents

• Précision du dépôt de cellulesavec association de facteurs decroissance localement par ex.

• Reproductible

Avantages

C. Plateforme 3d.fab

16

Présentation de la plateforme

3D FAB = 3D Fabric of Advanced Biology

La plateforme est spécialisée dans l’impression 3D pour le domaine de la santé.

2 domaines : - Biochimie pour le diagnostic- Biologie pour la médecine régénérative

http://fabric-advanced-biology.univ-lyon1.fr/

17

Présentation de la plateforme

18

Biochimie pour le diagnostic Ingénierie tissulaire

Matériaux souples via la bio-extrusion et la photopolymérisation d’un large choix de biomatériaux et d’hydrogels.

Matériaux durs pour le prototypage rapide et la fabrication de dispositifs fonctionnels

TOBECA® Stratasys

TOBECA® B9 Creator

19

Collaborations

1. Développement du bioprinting de peau : LabSkin Creations

2. Développement du bioprinting de cartilage : IMoPA (Ingénierie Moléculaire et Physiopathologie Articulaire, UMR 7365 CNRS - Université de Lorraine

3. Développement de la 4D pour le diagnostic : Axo Science

4. Développement technologique : Microlight

D. Nos résultats

20

21

- Mise au point notre propre bioprinter modulable. - Formulation d’une bio-encre adaptée aux conditions de culture

cellulaire- Optimisation de notre process

Procédé

Caractéristiques :- 4 extrudeurs- Contrôle de la température- Grand volume d’impression

(30cm3)- Stérilisation entre chaque

impression

22

Preuve de concept

Impression de fibroblastes fluorescents à J0 et J7.

Bon développement du réseau 3D cellulaire en seulement 7 jours

23

Bio-impression de peaux

Masson’s Trichrome staining :Harris' hematoxylin–phloxin–

saffron (HPS) staining :

Patent number : 1563461

En collaboration avec le Dr Thépot Amélie

24

Bio-impression de cartilage

Contenu en collagène 2(Immunohistochimie)

Contenu en protéoglycannes(Bleu Alcian, histologie)

ITS 1%

TGF-β110 ng/ml

X4 X20

X4 X20

X4 X20

X4 X20

La matrice extracellulaire néosynthétisée est riche• en protéoglycannes (coloration bleu alcian) et• en collagène 2 (le collagène 2 est spécifique du cartilage hyalin)

Différenciation chondrogénique des CSMs

Implant fonctionnalisé avec des cellules souches mésenchymateuses issues de la moelle osseuse humaine

Avec Dr Pizano Astrid

Conclusion

25

Un futur très encourageant!

Si vous avez :- des projets collaboratifs, - des idées d’applications utilisant l’impression 3D,- Le besoin d’une structure d’accueil avec des

infrastructures adaptées aux projets dans le domaine de la santé,

N’hésitez pas à nous contacter!

26

Merci pour votre attention

Dr CELINE MANDONSenior researcher

celine.mandon@univ-lyon1.fr+33 (0)6 09 42 86 94

LÉA POURCHETResearch engineer

lea.pourchet@univ-lyon1.fr+33 (0)6 86 01 57 74

Twitter : @lea_pourchet

Dr CHRISTOPHE MARQUETTESenior researcher at CNRS

christophe.marquette@univ-lyon1.fr+33 (0)4 72 43 13 69

Website : http://fabric-advanced-biology.univ-lyon1.fr/

Contacts :