Imprimante 3D: Le Bioprinting ou l’impression de tissus vivants

En début d’année 2012, les parents du petit Kaiba G., nourrisson de trois mois, apprennent la malformation des voies respiratoires de leur enfant (source). Atteint d’une trachéo-bronchomalacie, il est voué à une mort certaine. Afin de sauver la vie de Kaiba, ils font appel à des médecins de l’université du Michigan, qui prennent alors le pari de sauver l’enfant en lui implantant dans la trachée une prothèse réalisée à l’aide d’une imprimante 3D. Au terme de cette intervention, le nourrisson a pu respirer de lui-même, sans l’aide d’un appareil respiratoire. Dix-sept mois après l’implantation, l’enfant est désormais guéri et ses problèmes respiratoires sont maintenant derrière lui.

L’impression 3D est donc capable de sauver des vies. En imprimant des prothèses, des os ou mêmes des organes, l’homme pourrait faire face à la maladie et à de nombreux problèmes de santé. Prenons l’exemple des transplantations d’organe. Au lieu d’attendre la disponibilité d’un organe par le décès d’un autre être humain, les patients pourraient se voir transplanter un cœur ou un rein réalisé sur mesure avec une imprimante 3D. Il en serait de même pour remplacer un cartilage usé ou une rotule fissurée.

Si cette perspective est fascinante, elle n’en demeure pas moins de la science-fiction à l’heure où nous écrivons ces lignes. De nombreuses limites techniques empêchent de recréer des organes complexes comme le cœur. Le corps humain est un domaine d’application complexe, mais les rapides progrès dans le domaine de l’impression 3D, de l’imagerie médicale et des logiciels de conceptions par ordinateur nous permettront petit à petit de lever les barrières qui séparent encore la théorie de la pratique.

Source: Image created by and copyright (c) Christopher Barnatt, ExplainingTheFuture.com

##Les différents niveaux de complexité du corps humain

###Les éléments non-vivants

L’impression 3D a déjà envahi le premier niveau de complexité du corps humain. Ici, nous parlons de parties inanimées du corps telles que des couronnes dentaires ou des membres artificiels. Des milliers de composants non-vivants sont déjà commercialisés et utilisés partout dans le monde. Parmi eux figurent des lentilles de contact, des implants d’os, des appareils auditifs. On décompte aujourd’hui pas moins de 10 millions d’appareils auditifs et 500 000 implants dentaires imprimés par des imprimantes 3D en circulation dans le monde (source).

Afin de réaliser et d’imprimer ces éléments, les fabricants scannent la partie du corps humain en question, que ce soit une dent, une oreille,… Le scanner enregistre la forme qu’il transforme ensuite en un fichier numérique compatible avec des logiciels de conception 3D. Enfin, le fichier est 3D-imprimé dans des matériaux qui se prêteront à un usage adapté au corps humain tels que la céramique, le caoutchouc ou des plastiques transparents.

###Les éléments 3D-imprimés qui s’insèrent dans le corps humain

Les appareils auditifs ou les couronnes dentaires ont vocation à rester à « l’extérieur » du corps humain, contrairement à un tibia par exemple, qui se situe véritablement à l’intérieur du corps.

Aux Etats-Unis, on recense plus de deux millions de personnes équipées de prothèse ou de membre artificiel . Ces membres artificiels (source) ont très peu évolués au cours des cinquante dernières années et leur niveau de sophistication reste faible. L’impression 3D offre des opportunités intéressantes en la matière et permettraient de réaliser des prothèses avec un niveau de personnalisation sans précédent. Néanmoins, les implants osseux 3D-imprimés sont encore considérés comme de la médecine exploratoire. De tels implants ont déjà été conçus et utilisés sur des patients qui ont eu assez de courage (mais également d’argent) pour tenter le pari. Le corps humain est conçu pour rejeter les éléments étrangers et il faut donc attendre le développement de la recherche en la matière afin de créer des implants qui soient acceptés par notre organisme.

Parallèlement à cette contrainte biologique, il existe un frein légal à la propagation de ces découvertes. Tout comme les nouveaux médicaments, ces prothèses ou implants doivent passer par un long processus d’approbation par l’administration sanitaire et médicale. Aux Etats-Unis par exemple, l’utilisation d’implants osseux en Titanium est autorisée par la loi. En revanche, les mêmes implants réalisés en polymère sont toujours interdits. Alors que le polymère a des propriétés actives qui lui permettrait de recevoir des anti-inflammatoires ou des antibiotiques, contrairement au Titanium.

###Le niveau ultime du Bioprinting : l’utilisation de cellules souches

Le niveau ultime du Bioprinting se situe dans l’utilisation des cellules souches, qui seraient « insérées » dans des reproductions de parties du corps elles-mêmes 3D-imprimées. Arrêtons-nous tout d’abord quelques instants sur la définition des cellules souches : elles sont en quelque sorte la partie créative du corps humain. Elles sont dites indifférenciées, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas, a priori, destinées à devenir telle ou telle partie du corps. Les conditions dans lesquelles elles sont placées vont leur donner leur destinée cellulaire.

Kevin Shakeshaff, un scientifique anglais, nous explique en quoi l’association de cellules souches à la technologie d’impression 3D révolutionnera la médecine. Imaginez l’impression d’un objet creux qui prendrait la forme d’un organe (cœur, rein,…). L’objet serait ensuite rempli de cellules souches à l’aide d’une imprimante 3D utilisant une « encre » particulière (en l’occurrence, de l’hydrogel : une enveloppe de polymère autour de cellules souches) puis implanté dans le corps humain. Petit à petit, les cellules souches se développeraient en l’organe souhaité et la forme creuse se dissoudrait avec le temps. Cette méthodologie permettrait de forcer les cellules souches à se développer dans un but bien précis, en l’occurrence la constitution de l’organe préalablement défini.

Source: Image reproduced from “3D Printing: The Next Industrial Revolution” by Christopher Barnatt (ExplainingTheFuture.com, 2013)

A l’heure actuelle, les scientifiques utilisent déjà des méthodes similaires, sans impression 3D. Mais les temps de fabrication des moules (la fameuse forme creuse) sont considérables et rendent l’opération à la fois très fastidieuse et très compliquée. Avec l’impression 3D, la conception de ces moules serait plus simple et moins chère : les imprimantes 3D s’occuperaient de leur fabrication sur mesure, à la place de scientifiques. Mais alors, pourquoi cette utilisation des cellules souches n’est-elle pas plus répandue ? Malheureusement, il existe encore des limites à la connaissance de ces cellules créatrices. En effet, le processus de développement en un organe ou un tissu défini n’est pas encore totalement maîtrisé ni totalement fiable, ce qui limite fortement leur utilisation. A l’heure actuelle, la culture de cellules souches fait encore partie du domaine de la recherche et bien des choses restent à découvrir.

##Les limites actuelles du développement du Bioprinting

###La complexité du corps humain

Le corps humain est extrêmement complexe. Les organes, les veines, les tendons, les nerfs : tous ces éléments communiquent entre eux et s’entremêlent, si bien que nous avons du mal à comprendre le corps aussi précisément que nous le voudrions. L’exemple précédent des cellules souches est révélateur : malgré une certaine connaissance de leur fonctionnement, il nous est difficile de « forcer la nature ». Comment pouvons-nous recréer quelque chose que nous ne maîtrisons pas encore ? Le développement du Bioprinting est donc aujourd’hui intimement lié à la connaissance scientifique. La complexité de l’interconnexion des organes du corps humain est également un challenge de taille. Celui-ci est composé de 90 000 kilomètres d’artères et de veines ! S’il est donc difficile de concevoir et fabriquer un simple organe, le rendre fonctionnel est encore plus complexe.

##L’appréhension du corps humain

La complexité du corps humain rend difficile sa modélisation. Il y a ce que l’on peut voir à l’œil nu et il y a l’infiniment petit. Du cœur jusqu’aux cellules, les échelles varient énormément. Il nous ait aujourd’hui impossible de « photographier » le corps humain dans ses moindres détails pour en faire des modèles 3D numériques utilisés pour lancer des impressions 3D. Les logiciels de modélisation 3D ont été conçus pour réaliser des objets industriels : des chaises, des avions ou encore des vases. Les techniques informatiques d’aujourd’hui ne permettent pas d’appréhender l’infiniment petit du corps. Les avancées techniques dans le monde de l’imagerie médicale et de l’informatique nous permettront un jour de créer des outils photographiques et des logiciels de modélisation suffisamment puissants pour recréer des organes entiers. Mais aujourd’hui, même pour le plus doué des designers, doté du logiciel de conception assisté par ordinateur le plus puissant, se lancer dans la création d’un fichier numérique 3D d’un organe relève de l’impossible.

###Les matériaux d’impression

Si l’impression 3D d’objets du quotidien ne nécessite pas de nombreux matériaux sophistiqués, la création de parties du corps, que ce soit un tissu ou un organe, requiert l’utilisation de plusieurs matériaux complexes. Il faut donc maîtriser tout un processus de conditionnement de ces matériaux mais également la manière de les utiliser dans l’extrudeuse de l’imprimante 3D.

###La législation

Précédemment abordé, ce point est néanmoins primordial dans le progrès médical en général. L’approbation par le législateur d’une innovation médicale ou pharmaceutique est un processus lourd, au vu des conséquences dramatiques que pourrait avoir une mauvaise estimation des risques. Avant d’être mis sur le marché, les médicaments passent par de nombreuses et drastiques phases de tests : en laboratoire, puis sur des animaux, puis sur des êtres humains condamnés (cancers,…) avant d’être commercialisés en pharmacie ou d’être prescrits par un médecin. Le Bioprinting, considéré encore aujourd’hui comme de la médecine exploratoire, a donc un long chemin à parcourir d’un point de vue juridique avant de devenir une pratique largement répandue dans les hôpitaux.

##Les applications futures

Malgré ces contraintes fortes et ces barrières techniques à lever, le potentiel du Bioprinting est extraordinaire. Il bénéficie d’efforts techniques considérables de la part des scientifiques ainsi que d’investissements importants des acteurs du monde médical. Voici quelques exemples qui devraient démontrer le potentiel de la discipline.

###La transplantation d’organe

En 2007, la France comptait 12 800 personnes ayant eu besoin d’une transplantation d’organe . 232 sont décédées par manque de disponibilité d’organes. La liste d’attente des patients est en augmentation de 4% par an, et le vieillissement de la population pousse la tendance à la hausse. Le corps humain rejette parfois un organe transplanté, par réaction immunitaire. Le taux de rejet varie de 5% pour un rein par exemple, à 50% pour un poumon. La promesse du Bioprinting permettrait de répondre à l’ensemble des demandes de transplantation.

Source: “Jonathan T. Butcher, Cornell University”

###L’apprentissage au sein du corps médical

Le Bioprinting trouvera aussi un débouché dans la formation du corps médical. Les chirurgiens, par exemple, apprennent les opérations complexes en utilisant des simulateurs ou en travaillant directement sur des animaux mais aussi sur des cadavres humains. Ces conditions d’apprentissage sont contraignantes car l’utilisation de matières vivantes morte impose des conditions de conservation très strictes qui ont un coût important. Egalement, la disponibilité des corps ou organes de travail reste relativement erratique et ne se plie pas au programme d’apprentissage… L’impression de tissus vivants et d’organes complets permettrait de mettre les futurs médecins, chirurgiens ou infirmières dans des conditions quasi réelles lors de leur apprentissage.

###Les blessures et la performance sportive

Saviez-vous que le cartilage n’avait pas une propriété régénérative ? Le jour où le cartilage de vos genoux vient à être si usé qu’il disparaît, vous n’avez et n’aurez plus de cartilage… avec pour conséquences de fortes douleurs et une perte de mobilité. Des scientifiques américains de l’université de Cornell ont récemment imprimé un cartilage de la forme d’une oreille (source) , ouvrant ainsi la voie à une recherche prometteuse en la matière.

Les plus futuristes se demandent même si les implants 3D-imprimés ne seront pas un jour utilisés dans un but de performance sportive. Le sport de haut niveau est devenu si compétitif que chaque milliseconde ou millimètre compte. Le Bioprinting ira-t-il jusqu’à modifier la morphologie des sportifs de haut niveau dans le but d’améliorer leurs résultats ?