Les scientifiques ont fait de grands progrès dans la lutte contre le cancer. Le risque de mourir d’un cancer aux États-Unis a chuté de 27 % au cours des 2 dernières décennies, en grande partie grâce aux chercheurs qui continuent de découvrir les détails complexes du fonctionnement du cancer et de faire des progrès dans le traitement.
Aujourd’hui, la technologie émergente de la bio-impression 3D – comme l’impression 3D pour le corps humain, utilisant de vraies cellules humaines – promet d’accélérer cette recherche, en permettant aux scientifiques de développer des modèles de tumeurs 3D qui représentent mieux les échantillons de patients.
L’impact pourrait être “énorme”, déclare Y. Shrike Zhang, PhD, professeur adjoint de médecine à la Harvard Medical School et bio-ingénieur associé au Brigham and Women’s Hospital, qui étudie la bioimpression 3D. “Ce n’est pas la seule technologie qui peut permettre la modélisation de tumeurs in vitro, mais c’est certainement l’une des plus capables.”
Pourquoi est-ce important? Parce que les cultures cellulaires 2D que les scientifiques utilisent souvent aujourd’hui peuvent ne pas capturer toutes les complexités de la croissance, de la propagation et de la réponse du cancer au traitement. C’est l’une des raisons pour lesquelles si peu de nouveaux médicaments anticancéreux potentiels – 3,4 %, selon une estimation – peuvent réussir tous les essais cliniques. Les résultats peuvent ne pas être transmis de la boîte de culture au patient.
Un modèle bio-imprimé en 3D, en revanche, peut mieux copier le “microenvironnement” d’une tumeur – toutes les parties (cellules, molécules, vaisseaux sanguins) qui entourent une tumeur.
“Le microenvironnement tumoral joue un rôle essentiel dans la définition de la progression du cancer”, déclare Madhuri Dey, doctorante et chercheuse à la Penn State University. “Les modèles 3D in-vitro sont une tentative de reconstitution d’un [cancer] microenvironnement, qui met en lumière la façon dont les tumeurs réagissent aux traitements chimio ou immunothérapeutiques lorsqu’elles sont présentes dans un microenvironnement de type natif.
Dey est l’auteur principal d’une étude (financée par la National Science Foundation) dans laquelle des tumeurs du cancer du sein ont été bio-imprimées en 3D et traitées avec succès. Contrairement à certains modèles 3D précédents de cellules cancéreuses, ce modèle a mieux réussi à imiter ce microenvironnement, explique Dey.
Jusqu’à présent, “la bio-impression 3D de modèles de cancer s’est limitée à la bio-impression de cellules cancéreuses individuelles chargées d’hydrogels”, dit-elle. Mais elle et ses collègues ont développé une technique (appelée bio-impression assistée par aspiration) qui leur permet de contrôler l’emplacement des vaisseaux sanguins par rapport à la tumeur. “Ce modèle jette les bases de l’étude de ces nuances de cancer”, déclare Dey.
“C’est un travail plutôt cool”, dit Zhang à propos de l’étude de Penn State (à laquelle il n’a pas participé). “La vascularisation est toujours un élément clé dans [a] majorité des types de tumeurs. » Un modèle qui intègre des vaisseaux sanguins fournit une « niche critique » pour aider les modèles de tumeurs à atteindre leur plein potentiel dans la recherche sur le cancer.
Une imprimante 3D pour votre corps
Il y a de fortes chances que vous ayez entendu parler de l’impression 3D et que vous possédiez (ou connaissiez quelqu’un qui possède) une imprimante 3D. Le concept ressemble à l’impression ordinaire, mais au lieu de cracher de l’encre sur du papier, une imprimante 3D libère des couches de plastique ou d’autres matériaux, des centaines ou des milliers de fois, pour construire un objet à partir de zéro.
Tridimensionnel bio-impression fonctionne à peu près de la même manière, sauf que ces couches sont constituées de cellules vivantes pour créer des structures biologiques telles que la peau, les vaisseaux, les organes ou les os.
La bio-impression existe depuis 1988. Jusqu’à présent, elle est principalement utilisée dans des contextes de recherche, comme dans le domaine de la médecine régénérative. Des recherches sont en cours pour la reconstruction de l’oreille, la régénération nerveuse et la régénération cutanée. La technologie a également été récemment utilisée pour créer des tissus oculaires afin d’aider les chercheurs à étudier les maladies oculaires.
Le potentiel de la technologie pour une utilisation dans la recherche sur le cancer n’a pas encore été pleinement réalisé, dit Dey. Mais cela peut changer.
“L’utilisation de modèles de tumeurs bio-imprimés en 3D se rapproche des traductions dans la recherche sur le cancer”, déclare Zhang. “Ils sont de plus en plus adoptés par le domaine de la recherche, et [the technology] a commencé à être exploré par l’industrie pharmaceutique pour une utilisation dans le développement de médicaments anticancéreux.”
Parce que la bio-impression peut être automatisée, elle pourrait permettre aux chercheurs de créer des modèles de tumeurs complexes et de haute qualité à grande échelle, explique Zhang.
De tels modèles 3D ont également le potentiel de remplacer ou de réduire l’utilisation d’animaux dans les tests de médicaments contre les tumeurs, note Dey. Ils “devraient fournir une réponse médicamenteuse plus précise par rapport aux modèles animaux, car la physiologie animale ne correspond pas à celle des humains”.
Le FDA Modernization Act 2.0, une nouvelle loi américaine éliminant l’exigence selon laquelle les médicaments doivent être testés sur des animaux avant les humains, a « ouvert la voie à de telles technologies dans le pipeline de développement de médicaments », a déclaré Zhang.
Et si nous pouvions créer un modèle de tumeur personnalisé pour chaque patient ?
Les utilisations possibles de la bio-impression vont au-delà du laboratoire, dit Dey. Imaginez si nous pouvions personnaliser des modèles de tumeurs 3D basés sur des biopsies de patients individuels. Les médecins pourraient tester de nombreux traitements sur ces modèles spécifiques aux patients, leur permettant de prédire avec plus de précision comment chaque patient réagirait à différentes thérapies. Cela aiderait les médecins à décider quel traitement est le meilleur.
Dans l’étude de Dey, le modèle 3D a été traité par chimiothérapie et par immunothérapie, et il a répondu aux deux. Cela met en évidence le potentiel de ces modèles 3D pour révéler la réponse immunitaire du corps et être utilisés pour dépister des thérapies, dit Dey.
“Nous espérons qu’à l’avenir, cette technique pourra être adaptée à l’hôpital, ce qui accélérerait le déroulement du traitement du cancer”, déclare Dey.
À cette fin, elle et ses collègues travaillent maintenant avec de vraies tumeurs du cancer du sein prélevées sur des patientes, les recréant en laboratoire en 3D pour les utiliser pour le dépistage par chimio et immunothérapie.
Sources
Madhuri Dey, doctorant, chercheur, Ozbolat Lab, Penn State University.
Matériaux fonctionnels avancés: “Criblage chimiothérapeutique et immunothérapeutique à base de cellules CAR-T sur un modèle de tumeur mammaire vascularisée bio-imprimé en 3D.”
Y. Shrike Zhang, PhD, professeur adjoint de médecine, Harvard Medical School; bioingénieur associé, Brigham and Women’s Hospital.
