Anthony Atala, bio-ingénieur - sur l'impression 3D d'organes, de cellules souches et de micro-cœurs

Lancer la régénération

La première transplantation d'organe réussie au mondes'est produiten 1954 - chirurgien

Joe Murray a implanté un rein chez un patient.Grâce à cela, beaucoup a été économisé par la suite.les gens. Mais ces organes ne suffisent toujours pas et, en plus, la réaction de rejet de greffe a lieu. Par conséquent, nous observons une énorme insuffisance organique: au cours des 10 dernières années, le nombre de patients nécessitant une transplantation a doublé, tandis que le nombre de procédures a augmenté de moins de 1%.

Chaque année, 100 800 exemplaires en moyenne sont fabriqués dans le mondetransplantations d'organes. Les greffes les plus fréquemment transplantées sont les reins (69 400 opérations), le foie (20 200), le cœur (5 400), les poumons (2 400) et le pancréas (2 400). Le don peut être lié et posthume, lorsque l'organe désiré est prélevé sur un cadavre. Dans le même temps, en Russie, par exemple, le délai d’attente moyen pour un rein provenant d’un donneur est de 1,5 à 2 ans. À l'Institut de recherche Sklifosovsky, environ 200 opérations sont réalisées chaque année, alors qu'environ 500 personnes sont sur la liste d'attente.

La nature a créé les cellules de telle manière qu’elles savent toujours quoi faire.Ils ont la capacité de se régénérer, chacunla cellule a un tel potentiel. Les cellules de la peau sont mises à jour toutes les deux semaines, les cellules intestinales - pendant deux semaines et les cellules cérébrales - tous les dix ans. Le problème est que nous ne régénérons pas les tissus lorsqu'une maladie, une cicatrice ou des dommages surviennent. À ce stade, la régénération s'arrête et la médecine régénérative peut aider ici. Nous prélevons de très petits tissus musculaires sur le patient, puis traitons ces cellules et les plaçons dans la zone où se trouve le muscle endommagé. Il peut également être utilisé pour les patients souffrant de brûlures: dans ce cas, nous prenons un petit échantillon de la peau du patient, puis nous traitons les cellules et les appliquons simplement sur les zones endommagées avec un spray. De plus, si le patient est blessé, vous devez d'abord le traiter, vous débarrasser de l'infection et attendre que le temps soit prêt pour le traitement.

Cultivez un nouvel organe

Au lieu de cellules, vous pouvez utiliser le soi-disant substrat - une sorte de cadre de construction.Ses matériaux sont très similaires aux matériaux de suture.Ils se dissolvent en quelques mois et sont sans danger pour l'homme et les cellules. Nous prélevons un petit échantillon de tissu du patient, puis nous traitons ces cellules à l'extérieur du corps, les cultivons, utilisons un échafaudage pour les rendre tubulaires et l'implantons chez le patient. L'ensemble du processus prend environ 30 jours. La même chose s'applique aux vaisseaux sanguins. On pose ces cellules sur le matériel, puis on entraîne cet organe. Lorsque la compression devient ce dont nous avons besoin, les vaisseaux sont implantés chez les personnes. L’organe le plus complexe est un organe solide avec circulation sanguine, comme le cœur, les reins et le foie, car il existe différents types de tissus et ils possèdent tous un grand nombre de vaisseaux sanguins.

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La façon la plus simple de cultiver des tissus simples. Dans la pratique clinique, la méthode de régénération cutanée utilisant des hydrogels spéciaux ou des cellules du patient est déjà utilisée.

Gordana Wunyak-Novakovich de l'Université Columbia a cultivé un fragment de l'os du crâne, semant le cadre avec des cellules souches.

À l’université Johns Hopkins, des médecinsl'oreille du patient et une partie du crâne affectée par la tumeur. Prenant le tissu cartilagineux de la poitrine, des vaisseaux sanguins et de la peau, ils ont fait pousser une nouvelle oreille sur son bras, puis ont transplanté l'organe artificiel en place.

Des expériences réussies sur la culture et la transplantation de vaisseaux sanguins ont eu lieu dans les universités de Göteborg (Suède) et Rice (USA). Il existe également des exemples de croissance des muscles, des cellules sanguines, de la moelle osseuse et des dents.

Concernant la culture d'organes complexes,des expériences sont encore menées principalement sur des animaux. Cependant, il existe des exemples de transplantations réussies d'organes cultivés artificiellement chez l'homme. Depuis plusieurs années, Anthony Atala réalise des opérations d'implantation sur la vessie issue des cellules du patient. Des chirurgiens espagnols ont transplanté une trachée cultivée à partir de caracas de donneurs.

Technologie cellulaire avancée en 2002a fait croître un rein miniature d'une vache de 5 cm de long en utilisant la technologie de clonage, en prélevant des cellules dans l'oreille de l'animal. Un rein a été implanté à côté des principaux organes et elle a commencé à produire de l'urine avec succès.

Il existe également une expérience positive dans la culture et la transplantation de foies chez des rats de laboratoire (Université du Massachusetts) et de poumons chez des porcs (Université du Texas).

Les vaisseaux des organes transplantés sont très petits.Nous avons déjà commencé ce travail il y a 30 ans, mais nousil n’y avait pas de technologie. Ils ont commencé à réfléchir à la possibilité de prélever les organes de personnes décédées et de les réutiliser. Ils ont retiré le foie d'un patient décédé et, pour ainsi dire, l'ont lavé de l'intérieur. Après deux semaines, le foie ressemblait toujours à un foie, mais il n’y avait aucune cellule à l’intérieur. Nous avons cependant pu préserver l’arbre vasculaire, comme le squelette du foie. Ensuite, ils ont pris les cellules du patient, les ont cultivées et les ont placées sur ce squelette. Nous créons des tissus à partir du corps du patient et le traitons ainsi. Il n’y a donc aucune réponse immunitaire. C’est un très gros avantage de la médecine régénérative.

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Même à partir d’un très mauvais organe, nous pouvons obtenir de bonnes cellules grâce à une biopsie.Mais on ne peut pas faire ça avec la génétiqueles maladies, car le défaut sera dans tout le tissu. Voici d'autres technologies - nous prenons des cellules de ce patient, corrigeons les défauts, comment guérir ces cellules, puis travaillons sur la même stratégie. Jusqu'à présent, malheureusement, c'est expérimental, mais il y a encore de l'espoir que les maladies génétiques puissent être traitées.

Nous suivons toujours la vie de nos patients pendant au moins 5 à 8 ans après la transplantation.Nous devons nous assurer que tout ira bien, et alors seulement nous pourrons dire que cette technologie a fonctionné et que les organes transplantés fonctionnent normalement.

Impression d'organes et dépistage de drogues

Vous pouvez imprimer un cœur miniature et, dans deux heures, il battra déjà.Il y a six ans, nous avons commencé à utiliser l'impression 3D,car il était nécessaire de faire évoluer ces technologies - avant cela, nous faisions tout manuellement. Mais les organes obtenus par impression n'avaient pas une telle intégrité pour être implantés dans le corps. Ensuite, nous avons commencé à développer des imprimantes plus spécifiques qui pourraient créer des tissus humains. Et ils y ont travaillé pendant 14 ans.

Les premières expériences de bioimpression ont été menées surImprimantes 3D domestiques ordinaires mises à niveau sur le terrain. En 2000, Thomas Boland a mis en place des machines Lexmark et HP afin que des fragments d'ADN puissent y être imprimés, et en 2003 il a breveté la technologie.

Maintenant plusieursentreprises. Les bio-ingénieurs d'Organovo ont développé une technologie permettant d'imprimer des tissus hépatiques. Ils ont également imprimé des reins qui sont restés fonctionnels pendant deux semaines. Jusqu'à présent, ces corps ne sont utilisés que pour tester des médicaments, mais les créateurs n'excluent pas qu'ils vont bientôt commencer à développer des équipements pour imprimer les organes des donneurs.

Les bio-ingénieurs russes de 3D Bioprinting Solutions ont développé l'imprimante 3D FABION et mené une expérience réussie dans l'impression de la glande thyroïde et la transplantation de sa souris expérimentale.

Conçues par l'Université de Sheffield, les imprimantes Fripp Designs impriment des prothèses oculaires. La même équipe développe une technologie d'impression 3D pour le nez, les oreilles et le menton.

Une partie du matériel est produite pour nous-mêmesbesoins des clients et n’est pas destiné à la vente (FABION, Organovo’s NovoGen MMX). Les prix des bio-imprimantes commerciales vont de 10 000 $ (BioBots) et 5 000 € (CELLINK Inkredible) à 200 000 $ et plus (Bioplotter 3D d'EnvisionTEC, 3DDiscovery de RegenHU).

Il existe cinq critères intéressants pour une imprimante 3D pour l'impression d'orgue.Premièrement, ils ont de très petites buses, ilspeut atteindre jusqu'à 2 microns, soit 2 % du diamètre d'un cheveu humain. Deuxièmement, cette imprimante nous donne de la précision, nous pouvons disposer les cellules là où elles sont réellement nécessaires. Le troisième est le bioink, un liquide qui passe par la buse. Et puis, lorsqu’elle devient gélatine, elle fonctionne déjà comme un tissu normal. Le critère suivant concerne les microcanaux, ils nourrissent la partie centrale des cellules. Ce sont essentiellement des substituts sanguins. Et enfin, un logiciel qui permet d'avoir une image en trois dimensions. De cette façon, nous comprenons ce qui se passe dans le corps et créons la structure nécessaire à un organe donné. Pour ce faire, nous prenons les données numériques de la radiographie et les utilisons pour créer une structure spécifiquement adaptée à ce défaut chez un patient particulier.

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Nous disposons de deux systèmes certifiés pour l’impression d’organes humains.Ils sont approuvés par la FDA.Food and Drug Administration aux États-Unis - Hi-Tech). Au cours des six dernières années, nous avons utilisé une imprimante pour créer un programme appelé body-on-a-chip. Maintenant, c'est au stade du développement, car il est nécessaire d'assurer la viabilité de ces organes, mais en général, nous pouvons fabriquer des poumons, un cœur, des vaisseaux sanguins miniatures et connecter tout ce système sur des puces. Nous pouvons également créer des organes miniatures de la taille d'une tête d'épingle et voir comment ces organes réagiront aux médicaments. Par exemple, si un médicament accélère la fréquence cardiaque, il accélérera la fréquence cardiaque dans notre cœur miniature. Ainsi, il est possible d'identifier les effets secondaires des médicaments qui ne sont pas détectés par d'autres tests.

Évitez les effets secondaires

À l'aide d'organes miniatures imprimés, vous pouvez tester le médicament.Par exemple, le médicament "Hismanal", 11 anssur le marché partout dans le monde. Cet antipsychotique a également été utilisé comme antihistaminique. Après un certain temps d'utilisation, il est devenu clair que de nombreux patients ressentent des effets secondaires associés à un dysfonctionnement cardiaque. Lorsque le médicament a été testé sur une cellule, il n’y a eu aucun problème ; lorsqu’il a été testé sur des animaux, il n’y a eu aucun problème. Lorsque les études cliniques de première, deuxième et troisième étapes ont été menées, rien ne s’est produit. Nous avons pris ce médicament, l'avons utilisé sur nos organes sous forme de chips, et en une semaine, il est devenu clair que ce médicament était toxique pour le cœur.

Cela est dû au fait que chacun réagit différemment.pour les médicaments, tout est génétiquement différent, le même médicament sera traité différemment. Chacun a une alimentation différente, des conditions de vie différentes, des problèmes de santé différents. Cela constitue un obstacle à la compréhension de ce que le médicament fait réellement avec les organes. Et si nous éliminons tous ces obstacles et voyons directement comment le médicament agit sur les organes, nous pouvons immédiatement détecter la toxicité.

Aujourd'hui, nous développons un système que nous appelons le «corps sur une puce».Cela contribuera notamment à réduire la toxicité.médicaments - par exemple, pour travailler avec des patients atteints de cancer. Nous pouvons prendre une petite cellule cancéreuse et la faire croître, puis tester la chimiothérapie sur une puce avant de donner cette thérapie au patient. Nous avons eu un patient atteint d'un mélanome, il a suivi une chimiothérapie pendant six mois, beaucoup d'argent a été dépensé et la tumeur n'a fait que croître. Nous avons testé un médicament qui n'avait pas été envisagé et le patient a commencé à le recevoir. Deux semaines plus tard, le patient a déclaré pour la première fois que son état s'améliorait et le médecin a constaté que la tumeur diminuait. Il est donc très utile de tester le médicament avant de le donner au patient.

Cellules souches: créez ce qui n'est pas

Lorsqu’il est nécessaire de cultiver un organe que le patient n’a jamais eu ou qu’il a perdu, les cellules souches peuvent être utilisées.Habituellement, pour faire pousser un rein, nous prenonscellule rénale, pour faire croître l'urètre, on prend les cellules de l'urètre. Mais dans le cas des cellules souches, nous pouvons en prendre une qui peut devenir une cellule dans un poumon, un rein ou un vaisseau sanguin. Il existe deux principaux types de cellules souches. L'un d'eux est embryonnaire humain. Ils sont très puissants, ils grandissent et peuvent se transformer en n'importe quoi, mais ils peuvent également former des tumeurs, il est donc très difficile de les utiliser. D'un autre côté, si nous parlons de ces cellules chez un adulte, elles peuvent être des cellules graisseuses ou de la moelle osseuse, elles ne formeront pas de tumeurs, mais elles ne se développent pas aussi bien.

Pour la première fois, le terme «cellule souche» utiliséLe scientifique allemand Valentin Haacker à la fin du XIXe siècle. En 1909, le scientifique russe Alexander Maximov a suggéré qu'il y avait des cellules dans le corps qui restent inchangées, mais au bon moment, elles peuvent changer le programme et se transformer en cellules d'un type différent.

Cette théorie a été confirmée dans les années 60.siècle dernier. Les Américains James Till et Ernest McCullough ont irradié des souris avec une dose mortelle de rayonnement, puis les ont transplantées avec une cellule souche de sang d'un individu en bonne santé. Il s'est avéré que de cette manière, il est possible de restaurer le sang et de sauver les souris de la mort. Depuis 1964, cette méthode est utilisée dans le traitement du cancer du sang: les patients détruisent d'abord leurs propres cellules sanguines, puis transplantent des cellules souches saines du donneur. L'efficacité de cette méthode atteint 70–80%.

En 1981, Martin Evans et Matthew Kaufmanen parallèle avec Gail Martin, des cellules souches embryonnaires ont été isolées d'embryons de souris. Ces cellules pourraient exister indéfiniment en dehors du corps sans changer leurs propriétés, et lorsqu'elles pénètrent dans certaines conditions, par exemple, dans le corps, elles se transforment en tissus.

En 1999, le magazine Science a classé la découverte des cellules souches comme l'une des trois plus grandes découvertes dans le domaine de la biologie, après avoir décodé l'ADN et le programme du génome humain.

Pendant longtemps, on a cru que si une cellule souchetransformée en cellule tissulaire, il est impossible de la faire remonter. Cependant, en 2006, le japonais Xinya Yamanaka a découvert un moyen de reconvertir les cellules somatiques en cellules souches. Pour cela, il a reçu en 2012 le prix Nobel.

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Il y a environ 17 ans, nous avons commencé à chercher une autre source de cellules souches.. Suggéré qu'il existe un autre type de tigecellules présentes dans le liquide amniotique et dans le placenta dont le bébé est entouré dans l'utérus. Et nous avons trouvé ces cellules souches très puissantes. Ils ne formeront pas de tumeurs et peuvent se transformer en trois principales catégories de tissus qui forment notre corps. Ces cellules peuvent rapidement croître en quantités suffisantes. De cette façon, nous évitons toutes les limitations des cellules de moelle osseuse et d'autres types de cellules. Aujourd'hui, ils font l'objet d'un certain nombre d'études cliniques et ne sont pas encore très largement utilisés.

Je ne veux pas que vous pensiez que tous les problèmes ont déjà été résolus et que vous pouvez simplement imprimer des organes.Il faudra des décennies pour cesla technologie pourrait évoluer. C'est très difficile et il nous faut beaucoup de temps pour développer la recette même qui permettra aux technologies de fonctionner de manière optimale. De plus, ce sont des technologies coûteuses, il sera difficile de les reproduire, mais on peut dire avec certitude qu'elles ont du potentiel. Et pour nous, c'est la promesse de la médecine régénérative - améliorer la vie des patients.