Une grande première depuis des siècles, les chercheurs sont parvenus à produire du tissu cérébral fonctionnel à la technologie d'impression en 3D. Selon les scientifiques à l'origine de cette découverte, le cerveau imprimé en 3D présente la capacité de se développer et de fonctionner de la même façon qu'un tissu cérébral humain normal.
Le tissu cérébral imprimé avait une épaisseur inférieure à 0,02 cm. Il était composé à la fois de neurones et de cellules gliales, qui jouent un rôle de soutien dans le cerveau. Fait remarquable, l'ensemble de ces cellules étaient capables d'interagir entre elles pour former des connexions et des réseaux. C'est cette interaction qui a permis de reproduire le fonctionnement d'un véritable cerveau humain.
Une meilleure reproduction des caractéristiques spécifiques du cerveau humain
La fabrication de ce tissu cérébral a été rendue possible grâce à une imprimante biologique. Celle-ci produit couche par couche un gel contenant des cellules souches, disposées horizontalement. Grâce à des substances chimiques, les chercheurs ont pu différencier les cellules souches en cellules cérébrales matures. Ils ont alors empilé avec précaution ces fines couches de tissus les unes sur les autres dans une boîte de Petri. C'est ainsi qu'ils ont pu générer un modèle tridimensionnel complet.
Dans leur article paru le 1er février dans la revue Cell Stem Cell, les chercheurs à l'origine de cette avancée espèrent que ce tissu imprimé viendra compléter d'autres modélisations du cerveau humain. Contrairement aux modèles animaux traditionnels, ces technologies utilisant de vraies cellules humaines reproduisent bien plus fidèlement les caractéristiques uniques et complexes du cerveau. C'est le cas des puces cérébrales, qui miment le tissu cérébral sur des dispositifs ayant les mêmes dimensions qu'une carte bancaire, ou des organoïdes cérébraux, modèles cérébraux miniatures auto-assemblés.
Un mini-cerveau imprimé en 3D en seulement 1 mois
Par rapport aux organoïdes cérébraux auto-assemblés, cette technologie d'impression 3D offre une plus grande maîtrise sur les types de cellules composant le modèle final. Autre atout : les connexions entre cellules nerveuses s'établissent en un temps record de 2 à 5 semaines avec cette technique, contre des années chez les organoïdes. C'est ce qu'a expliqué le Dr Su-Chun Zhang, coauteur principal de l'étude et professeur en neurosciences à l'Université du Wisconsin-Madison.
Grâce à cette rapidité, il est aussi plus facile de produire en série différentes versions de ces mini-cerveaux imprimés en 3D. Cette approche s'avère notamment pratique pour expérimenter de nouvelles molécules thérapeutiques contre les maladies neurodégénératives ou psychiatriques affectant le cerveau. Des modèles imprimés reproduisant les caractéristiques spécifiques de chaque trouble pourraient être générés.
Un cerveau en 3D, oui ! Mais les défis sont encore nombreux
Des tentatives d'impression 3D de tissus cérébraux humains avaient déjà été réalisées par le passé. Toutefois, les neurones et cellules gliales composant ces modèles n'étaient pas capables de former des connexions complexes entre eux.
Cette nouvelle approche a permis aux chercheurs de contourner cet obstacle. Ils ont utilisé un gel assez mou pour permettre aux organismes cellulaires de s'étendre et d'interagir. Cela tout en maintenant la cohésion globale du tissu imprimé grâce à des propriétés mécaniques optimisées.
Contrairement aux méthodes 3D traditionnelles, les couches ont été empilées horizontalement et non verticalement. Résultat : des couches ultra fines, assurant un apport maximal en nutriments et oxygène aux cellules. Ces dernières ont alors réussi à se connecter pour former des réseaux et échanger des signaux biochimiques. D'où la reproduction complète de la complexité d'un véritable cerveau humain.
Les scientifiques reconnaissent que cette technologie présente encore certaines limites. La consistance gélatineuse utilisée, si elle facilite les interconnexions cellulaires, empêche d'imprimer plusieurs couches simultanément. L'empilement s'effondrerait avant que le gel n'ait le temps de se fixer d'après les chercheurs. Autrement dit, le procédé de fabrication couche par couche s'en trouve fortement ralenti.
Par ailleurs, les besoins nutritionnels des cellules contraigent encore l'épaisseur des couches individuelles. On ne peut encore pas assurer leur survie qu'à un certain seuil. La taille globale des tissus cérébraux imprimables s'en trouve donc limitée.
Et comme l'a affirmé le Dr Zhang, un modèle restera toujours un modèle. Il ne peut donc pas reproduire parfaitement la complexité d'un véritable cerveau. Lui et son équipe espèrent néanmoins remédier à ces limites inhérentes et visent à améliorer cette approche de bio-impression cérébrale 3D.
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