La bio-impression en microgravité : Où en sommes-nous ?

La bio-impression en microgravité : Où en sommes-nous ?

Un élément crucial de la transposition de la recherche et de la technologie biomédicales en santé spatiale signifie que les équipages spatiaux devront créer leurs propres cellules, tissus et même organes fonctionnels. Bien que la réalisation de solutions de médecine régénérative capables d’imiter un organe humain pour la transplantation dans l’espace ne soit pas attendue dans la prochaine décennie, les chercheurs développent déjà une technologie applicable qui fonctionnera dans des conditions de microgravité. Aujourd’hui, le risque qu’un astronaute développe une maladie grave et ait besoin de soins intensifs est très faible (entre 1 et 2 %), mais cela pourrait arriver. Ce risque est encore plus élevé dans le cas de voyages dans l’espace lointain, où le corps humain sera soumis à une pression plus élevée, à des rayonnements ionisants de plus grande énergie et à des rayons cosmiques qui peuvent accroître les risques d’un vol spatial prolongé dans un vaisseau fermé.

Les pires scénarios et les situations hypothétiques sont un excellent point de départ pour des avancées technologiques cruciales, notamment en ce qui concerne l’espace. Avec le programme Artemis de la NASA qui prévoit de permettre l’exploration de la Lune par l’homme d’ici 2024 et un éventuel atterrissage en surface avec équipage sur Mars d’ici 2030, s’appuyer sur des technologies innovantes pour survivre hors de la Terre offrira à l’humanité une chance de prospérer en orbite. À cette fin, les agences spatiales et les entreprises privées ont mené des recherches sur la microgravité en tant que cofacteur de la technologie de bio-impression pour créer des constructions et des modèles de tissus.

Jusqu’à présent, deux systèmes de bio-impression 3D ont déjà été lancés à bord de l’ISS, profitant de la microgravité pour permettre une biofabrication rapide de tissus et d’organes en 3D, comme les cellules cardiaques humaines ou les glandes thyroïdiennes de souris. La bioimpression dans l’espace présente plusieurs avantages. Par exemple, les experts ont découvert que les conditions de microgravité permettent la bioimpression en 3D de tissus et d’organes à géométrie plus complexe avec des vides, des cavités et des tunnels. Les bioimprimeurs peuvent utiliser différents procédés, notamment l’extrusion et la bioimpression magnétique, mais surtout la bioimpression sans gravité élimine le risque d’effondrement, permettant aux organes de se développer sans avoir besoin d’échafaudages. Cela pourrait améliorer le traitement des patients sur Terre et contribuer à l’établissement d’établissements planétaires durables.

Techshot et nScrypt’s BioFabrication Facility. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Techshot/Eugene Boland.

Historiquement, la fabrication de tissus humains mous, tels que les vaisseaux sanguins et les muscles, a été difficile. Peu de chercheurs ont réussi à imprimer ces structures en 3D, alors qu’ils tentent de faire face aux complexités de la bio-impression sur Terre. Pour tenter de résoudre cette limitation, une entreprise a entrepris de créer une bioimprimante pour la fabrication dans l’espace. Techshot, un opérateur commercial d’équipement de microgravité, s’est associé au fabricant industriel de bioimprimantes 3D nScrypt, pour développer une bioimprimante 3D conçue pour fabriquer des tissus semblables à des organes dans l’espace. Lancé en juillet 2019, le centre de biofabrication (BFF) a déjà imprimé avec succès des constructions de type tissulaire avec un grand volume de cellules cardiaques humaines à bord du laboratoire de l’ISS ainsi que des ménisques humains.

Plus important encore, alors que le bio-encreur de l’imprimante 3D contenait des types de cellules tels que les cellules du muscle cardiaque, les cellules nerveuses et les cellules vasculaires, il ne contenait notamment pas les matériaux d’échafaudage ou les agents épaississants normalement nécessaires pour résister à l’attraction destructrice de la gravité lors de la bioimpression sur Terre. Tout en annonçant le succès de la bioimpression spatiale en 3D avec des cellules cardiaques humaines en janvier 2020, Techshot a également décrit comment « sur Terre, lorsqu’on tente d’imprimer avec des biomatériaux souples et fluides, les tissus s’effondrent sous leur propre poids – ce qui donne à peine plus qu’une flaque. Mais lorsque ces mêmes matériaux sont utilisés dans l’environnement de microgravité de l’espace, les structures imprimées en 3D conservent leurs formes ».

L’astronaute de la NASA Christina Koch active la nouvelle installation de biofabrication pour tester sa capacité à imprimer des cellules. Image avec l’aimable autorisation de la NASA.

La charge utile du support express BFF en forme de L, de la taille d’un triple casier, ne mesure que trois pieds de large et deux pieds de haut mais contient quatre têtes d’impression permettant de construire des constructions biologiques à l’aide d’embouts de distribution dont le diamètre est environ deux fois celui d’un cheveu humain, afin de placer avec précision le matériel cellulaire et extracellulaire spécifique là où il sera nécessaire pour développer le tissu. Il est construit autour de systèmes de moteurs linéaires capables de fonctionner à plus de 700 millimètres par seconde, principalement parce que la vitesse est l’essence même de la bio-impression en microgravité. Pour la phase suivante, la société a décidé de le ramener sur Terre pour quelques mises à niveau, mais le BFF sera opérationnel après son retour à l’ISS en juillet 2021 à bord de la 16e mission commerciale de services de réapprovisionnement de Northrop Grumman pour la NASA (NG-16).

Lors de la série de séminaires sur l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative dans l’espace organisés par le laboratoire national de l’ISS 2020, le scientifique en chef de Techshot, Eugene Boland, a expliqué que « la raison pour laquelle les structures 3D sont plus faciles à produire en microgravité en l’absence de convection, de flottabilité et de segmentation, est que nous pouvons utiliser une bio-encre de plus faible viscosité, et que les cellules et les nutriments restent là où vous les avez mis. C’est vraiment un changement de paradigme dans la bioimpression, où nous pouvons imprimer la biologie uniquement pour le bien de la biologie, et non pour le bien de la mécanique. Nous n’avons donc pas besoin d’ajouter des réticulants et d’autres structures pour les maintenir, nous pouvons en fait imprimer la forme que nous voulons. C’est exactement ce que vous pouvez faire en microgravité, ce que vous ne pouvez pas faire sur le terrain, c’est-à-dire passer à l’impression 3D au lieu de l’impression en deux dimensions et demie ».

L’installation de biofabrication de Techshot et nScrypt fonctionne à l’intérieur. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Techshot/Eugene Boland.

À l’automne 2019, l’administrateur de la NASA Jim Bridenstine a annoncé que, bien qu’il reste beaucoup à faire avant que les humains puissent vivre et travailler en orbite pendant de longues périodes, « nous utilisons l’ISS pour imprimer en 3D des tissus humains et éventuellement des organes humains à l’aide de cellules souches adultes, dans le but de transformer nos vies ici sur Terre ». Depuis qu’elle a prêté serment en tant que 13e administratrice de la NASA en 2018, Bridenstine a accéléré l’objectif de l’agence d’envoyer la première femme et le prochain homme sur la Lune d’ici 2024 et d’établir une présence lunaire durable plus tard dans la décennie.

Lors d’une mise à jour publique sur le programme Artemis de l’agence, Bridenstine a indiqué que « pour le moment, nous travaillons sur la création de rétines artificielles en orbite. Ce sont des choses que vous ne pouvez pas faire ici sur Terre à cause de la façon dont les matériaux sont stratifiés, mais vous pouvez le faire en microgravité dans l’espace en utilisant l’ISS. Imaginez une boîte qui tient dans la paume de votre main, puis qui monte dans l’espace avec des matériaux à l’intérieur. Mais lorsque cette boîte revient sur Terre, nous l’ouvrons pour y trouver un millier de rétines artificielles. Ces rétines pourraient aider les personnes souffrant de dégénérescence maculaire et risquant de perdre la vue ».

Rétine artificielle. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Lambda Vision.

En fait, les rétines artificielles à base de protéines de Lambda Vision, fabriquées en microgravité, pourraient non seulement redonner la vue aux patients souffrant de maladies de la rétine sur Terre, mais elles constitueront également un excellent point de départ pour l’entreprise, qui pourra explorer comment son processus de production dans l’espace peut être utilisé pour des applications biomédicales et technologiques supplémentaires dans un certain nombre de secteurs divers. Jusqu’à présent, la PDG de Lambda Vision, Nicole Wagner, a indiqué que la stratification a été démontrée avec succès en microgravité, en déposant 100 couches sur certaines zones du substrat.

L’ISS abrite également la plateforme russe de bio-impression 3D Organ.Aut, qui a atteint son orbite avec succès en décembre 2018. L’agence spatiale russe Roscosmos s’est mise au travail avec la société 3D Bioprinting Solutions, basée à Skolkovo, pour créer une bioimprimante 3D magnétique spatiale, capable de gérer les sphéroïdes tissulaires en microgravité. De nouvelles approches des techniques de bio-impression 3D, telles que la bio-impression acoustique ou magnétique utilisant des champs physiques à motifs pour la propagation prévisible des cellules, devraient évoluer, en surmontant certaines limites communes, telles que la vitesse lente et l’incapacité à créer des constructions 3D à géométrie complexe.

Le système a déjà procédé à la bio-impression 3D de la thyroïde d’une souris dans l’environnement de gravité zéro de la station ; il a même fabriqué de la viande, des os et des biofilms bactériens 3D, ainsi que des cristaux de composés protéiques cultivés et, pour la première fois, du tissu de cartilage humain issu de la bio-ingénierie. La société a de grands projets pour les voyages dans l’espace lointain, espérant développer une future version de la bioimprimante qui pourrait aider les membres d’équipage à remplacer une partie du corps humain, ou même être capable d’imprimer de la nourriture pour les personnes voyageant vers Mars.

La bioextrudeuse ZeroG d’Allevi pour l’installation AMF de Made In Space sur l’ISS. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’Allevi.

D’autres bioimprimantes sont également en préparation. La société d’experts en fabrication en microgravité Made In Space (MIS), en partenariat avec le fabricant de bioimprimantes Allevi, a entrepris de créer la bioextrudeuse ZeroG, qui sera facilement installée sur l’installation de fabrication d’additifs existante de MIS sur l’ISS. Selon le PDG et co-fondateur d’Allevi, Ricky Solorzano, la plateforme va révolutionner l’étude de la biologie dans l’espace en permettant de tester des biomatériaux et de réaliser différentes géométries grâce à la microgravité.

« L’objectif est de comprendre quelles sont les contraintes et les valeurs des expériences en microgravité. Tout comme nous l’avons fait avec la bio-impression au sol, nous pensons qu’en fournissant cela et en réalisant des expériences, la communauté comprendra la microgravité et trouvera les applications qui ne sont pas seulement de la recherche mais aussi des produits, pour faire de cet environnement spatial une industrie », a également expliqué M. Solorzano lors de la série de séminaires spatiaux du laboratoire national de l’ISS.

Le fabricant suédois de bioimprimantes 3D Cellink a également annoncé une collaboration stratégique avec le MIS afin d’identifier les possibilités de développement de la bioimpression 3D pour l’ISS et les futures plateformes extérieures. Alors que plus tôt en 2019, l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’hôpital universitaire de l’Université technique de Dresde (TUD) ont également prouvé la capacité d’imprimer en 3D de la matière biologique dans un environnement semblable à l’espace sur Terre.

Évolution de la biomédecine dans l’espace. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’Agence spatiale européenne.

La bioimpression en microgravité ouvre un domaine entièrement nouveau, ainsi que de nouveaux défis. Comme l’a dit un jour Elon Musk, entrepreneur de l’espace, « l’espace est difficile », et la bio-impression hors de la Terre encore plus difficile. Les experts ont déjà découvert plusieurs limites, allant du comportement des bio-encreurs à la compréhension de la tension de surface. Il reste encore beaucoup de travail à faire pour faire progresser la bio-impression dans l’espace, tant pour les patients de la Terre que pour ceux de l’équipage, mais de nouvelles collaborations pourraient rapidement mener aux prochaines étapes de la bio-impression dans l’espace.

Le post Bioprinting in Microgravity : Where Do We Stand ? est apparu pour la première fois sur 3DPrint.com | The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing.