Un professeur adjoint de la Virginia Commonwealth University (VCU) Collège des sciences humaines et des sciences a utilisé l’impression 3D pour créer des modèles vivants de cellules tumorales, ce qui pourrait permettre aux chercheurs sur le cancer de mieux comprendre la progression de la maladie.
Daeha Joung, Ph.D, et professeur adjoint au VCU a inventé la nouvelle méthode de construction de constructions tumorales. La nouvelle technique permet le placement et le contrôle précis des cellules vivantes, afin d’imiter plus efficacement les étapes clés de la dissémination du cancer. Cette approche pourrait permettre aux VCU Centre du cancer Massey les chercheurs pour maximiser la croissance des cellules cancéreuses pour l’étude et évaluer l’efficacité des immunotoxines anticancéreuses.
Évolution de l’impression 2D dans la recherche sur le cancer
Chercheurs de Le Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire en Allemagne a découvert dans leur étude de décembre 2018 que les structures 2D ont du mal à reproduire avec précision les caractéristiques des micro-environnements tumoraux natifs. Les cultures de cellules 3D se sont avérées établir des interactions de cellule à cellule qui pourraient mieux imiter la spécificité des tissus réels, en le faisant à une plus grande vitesse et en affichant des comportements plus complexes.
Cependant, selon Joung, la nature métastatique du cancer reste un défi pronostique et thérapeutique majeur pour les modèles actuels, car les mouvements des cellules tumorales sont régulés par divers signaux chimiques. Un modèle plus précis est donc nécessaire, qui intègre ces éléments des micro-environnements tumoraux, et permet l’étude des interactions à plusieurs niveaux qui se produisent dans des parties éloignées du corps. «Un certain nombre de stratégies ont été développées pour surmonter ces obstacles mais n’ont pas entièrement réussi», explique Joung. «Je peux utiliser la physique, la nanotechnologie et l’ingénierie pour surmonter ces obstacles et fournir un aperçu unique qui pourrait ouvrir la porte à de nouvelles options thérapeutiques pour le cancer.»
L’approche de Joung remédie à ces limites en utilisant la bio-impression 3D et une technique d’auto-pliage inspirée de l’origami pour créer des structures 3D complexes multi-matériaux, multi-échelles et multifonctionnelles. Ceux-ci permettent l’intégration de nombreuses combinaisons de cellules vivantes et de matrices de support avec un contrôle spatial précis, résultant en l’ingénierie de tissus avec des applications biomédicales prometteuses.
Fabrication de capsules de contrôle de cellules imprimées en 3D
Des capsules sensibles aux stimuli imprimées en 3D ont permis à Joung de contrôler les cellules au sein de ces structures. Contenant un noyau aqueux et une charge utile de facteurs moléculaires fonctionnels et de nanorods d’or plasmonique (AuNR), les pods microscopiques permettent la libération déclenchée de signaux chimiques dans les matrices 3D. Une fois activé par rayonnement laser, Joung a pu manipuler les comportements cellulaires au niveau local. Lorsque cela a été combiné avec l’impression cellulaire 3D, il a permis la création de constructions tumorales complexes qui ont été contrôlées à l’aide de signaux chimiques multiplexés.
Pour démontrer le contrôle spatial avec les capsules, Joung a imprimé un tableau de noyaux contenant des volumes variables qui pourraient être déclenchés avec précision par le déploiement d’un laser UV. L’utilisation de l’impression 3D a permis à Joung de tester cinq groupes d’échantillons de migration en parallèle dans des conditions identiques. Cette approche lui a également permis d’ajouter des matériaux si nécessaire, et de personnaliser les cellules produites, pour montrer différents comportements.
Grâce à cette technique, les scientifiques de Massey seront en mesure de fournir des échantillons de tissus cancéreux à Joung, puis de prescrire des modèles spécifiques ou des structures tumorales qu’ils doivent avoir fabriqués. À l’aide de mécanismes robotiques et d’une technologie d’impression 3D personnalisée, Joung ajustera ensuite la quantité et la configuration spécifique des types de cellules répliquées et imprimées.
Ceci, à son tour, pourrait permettre aux futurs chercheurs de dépister de nouveaux médicaments anticancéreux et de tester des stratégies spécifiques au patient pour le diagnostic et la thérapeutique. « Le cancer est un cancer d’un point de vue technique, donc mon laboratoire peut produire de nombreux types différents de mimétiques des tissus tumoraux », a déclaré Joung. «Si quelqu’un s’intéresse au cancer du poumon, nous pouvons imprimer des cellules cancéreuses du poumon. Si quelqu’un s’intéresse aux cellules cancéreuses du sein, nous pouvons également les imprimer », a-t-il ajouté.
L’ambition de Joung est de concevoir une plate-forme complète de systèmes 3D avancés pour une application dans des modèles de régénération neuronale du cancer, ouvrant de nouvelles opportunités pour tester des options thérapeutiques pour traiter la maladie.
Méthodes d’impression 3D pour lutter contre le cancer
Des scientifiques et des chercheurs d’autres institutions universitaires ont également utilisé l’impression 3D pour créer des modèles cellulaires 3D en direct, dans le but de mieux comprendre et traiter les tumeurs cancéreuses.
En avril 2020, des chercheurs américains et allemands ont présenté un nouvelle façon d’étudier le glioblastome (GBM), un type agressif de cancer du cerveau. Ils ont utilisé une collection de cellules cérébrales humaines et de biomatériaux dotés de canaux vasculaires perfusés, pour permettre une culture et une administration de médicaments à long terme. La technologie d’imagerie 3D a été sommairement utilisée pour l’évaluation non invasive des constructions tissulaires.
Un étudiant à la maîtrise du Université de Waikato, Nouvelle-Zélande, a annoncé en août 2018 qu’elle prévoyait de développer et tester des tumeurs cancéreuses en utilisant de vraies cellules, en suivant la conception de ses modèles de tumeurs en plastique imprimés en 3D. La base de ces modèles bio-imprimés était une série d’hémisphères palmés de la taille d’une paume qui ressemblaient à des tumeurs cancéreuses du sein.
Chercheurs de Katholieke Universiteit Leuven en Belgique et Institut indien de technologie de Hyderabad en Inde, a publié des études en juin 2017 comment l’impression 3D peut être utilisée pour la recherche sur le cancer. Alors que les deux articles ont souligné le potentiel de l’utilisation de l’impression 3D pour créer des microenvironnements, les chercheurs indiens ont évoqué la possibilité de pouvoir placer précisément des cellules et de se reproduire in vivo micro-environnements tumoraux.
Les résultats des chercheurs sont détaillés dans leur article intitulé «Modèles métastatiques in vitro bioprinted 3D via la reconstruction de micro-environnements tumoraux»Qui a été publié au Matériaux avancés et a été co-écrit par Fanben Meng, Carolyn M. Meyer, Daeha Joung, Daniel A. Vallera, Michael C. McAlpine et Angela Panoskaltsis-Mortari.
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L’image en vedette montre le professeur adjoint Joung, qui a développé une nouvelle technique pour créer des modèles 3D de tumeurs en utilisant des cellules vivantes. Photo via VCU.
