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Source: www.bbc.com

Microgravité : pourquoi les astronautes impriment-ils des organes dans l'espace ?

L'environnement de microgravité de l'ISS était idéal pour tester la Bio Fabrication Facility L'environnement de microgravité de l'ISS était idéal pour tester la Bio Fabrication Facility

Face à la pénurie mondiale d'organes susceptibles d'être transplantés chez des patients gravement malades, certains chercheurs envisagent l'impression 3D de tissus vivants comme solution, mais pour cela, ils devront peut-être se mettre en orbite.

Andrew Morgan a vu certaines des pires choses qui peuvent arriver au corps humain. En tant que médecin militaire de l'armée américaine, il a soigné de jeunes soldats dont le corps avait été déchiré et brisé par des explosions. "J'ai vu la perte de membres et des blessures dévastatrices causées par des explosions", dit-il.

Le fait d'être le témoin direct du lent processus de guérison et de rétablissement a fait réfléchir Morgan : que se passerait-il si de nouveaux tissus ou même des organes entiers pouvaient être simplement imprimés pour remplacer les parties du corps blessées ?

"La possibilité de transplanter des tissus fabriqués à partir des cellules de la personne blessée serait extrêmement bénéfique", explique-t-il.

C'est pourquoi Morgan a mené une série d'expériences inhabituelles pendant plusieurs mois l'année dernière - dans l'espace. En effet, Morgan est également un astronaute de la Nasa. En avril 2020, il est rentré d'un séjour de 272 jours à bord de la station spatiale internationale (ISS). Alors qu'il était en orbite à 400 km au-dessus de la surface de la Terre, Morgan a créé des tissus vivants, cellule par cellule, à l'aide d'une imprimante 3D et d'une substance appelée bio-encre.

"C'est un peu comme changer une cartouche d'imprimante à la maison", explique Morgan à propos de l'équipement qu'il a utilisé. "Vous mettez la cartouche d'encre, vous laissez la culture se développer, puis vous retirez la cassette de tissu pour l'analyser."

Jusqu'ici, tout est simple. Mais il y a une raison pour laquelle Morgan et sa collègue astronaute Christina Koch réalisaient ces expériences en orbite.

"Lorsque vous imprimez en 3D une culture de tissus au sol, ils ont tendance à s'effondrer avec la gravité", explique-t-il. "Les tissus ont besoin d'une sorte d'échafaudage [temporaire, organique] pour maintenir le tout en place, en particulier dans le cas de cavités comme les cavités d'un cœur. Mais vous n'avez pas ces effets dans un environnement de microgravité, c'est pourquoi ces expériences ont été si précieuses."

L'environnement de microgravité de l'ISS était idéal pour tester la Bio Fabrication Facility, qui a été mise en orbite en 2019 et doit être mise à niveau en 2021. Développée par les entreprises américaines Techshot et NScrypt, elle est conçue pour imprimer des cellules humaines dans des tissus en forme d'organes.

Initialement, Morgan l'utilisait pour tester des impressions de tissus de type cardiaque d'épaisseurs croissantes. À terme, toutefois, l'équipe à l'origine de cette technologie espère affiner l'équipement afin de pouvoir imprimer dans l'espace des organes humains entiers, qui pourront être utilisés pour des transplantations.

L'impression d'organes humains ne relève pas de la science-fiction. Un certain nombre d'entreprises de biotechnologie travaillent sur différentes approches visant à utiliser les propres cellules d'un patient pour fabriquer de nouveaux tissus. Dans la plupart des cas, elles reprogramment les cellules en suivant un processus récompensé par le prix Nobel et mis au point il y a dix ans pour les transformer en cellules souches, qui sont ensuite théoriquement capables de se développer en n'importe quelle partie de l'anatomie humaine.

Avec les nutriments et les encouragements adéquats, ces cellules peuvent ensuite être induites dans le type de cellule de leur choix. En suspendant les cellules souches dans un hydrogel qui peut être intégré à un échafaudage pour empêcher la structure en croissance de s'effondrer sur elle-même, le type de cellule souhaité peut ensuite être imprimé couche par couche pour former un tissu vivant et fonctionnel.

"Nous avons déjà produit des tissus qui ont été transplantés avec succès sur des animaux - des greffes de peau, par exemple", explique Itedale Redwan, le responsable scientifique de Cellink, la première société à commercialiser la bio-encre. "Récemment, nous avons travaillé sur l'impression assistée par laser pour permettre l'impression au très petit niveau des capillaires, ou vaisseaux de transplantation du sang et des déchets. Pouvoir imprimer à ce niveau sera essentiel, mais la grande étape sera d'implanter de tels tissus chez l'homme."

M. Redwan estime qu'il faudra 10 à 15 ans avant que des tissus et des organes pleinement fonctionnels imprimés de cette manière puissent être transplantés chez l'homme. Les scientifiques ont déjà montré qu'il est possible d'imprimer des tissus de base et même des mini-organes.

En 2018, une équipe de l'université de Newcastle a imprimé les premières cornées humaines, tandis qu'un groupe de l'université de Tel Aviv a produit un cœur miniature en l'imprimant avec des tissus humains provenant d'un patient cardiaque et pense qu'il pourrait être utilisé pour concevoir des patchs cardiaques afin de réparer les défauts cardiaques.

Les scientifiques de l'université d'État du Michigan ont depuis franchi une étape supplémentaire en imprimant un cœur humain miniature à l'aide d'un cadre de cellules souches qui imite l'environnement dans lequel se développe un fœtus, ce qui permet la création de tous les types de cellules et des structures complexes nécessaires au fonctionnement du cœur.

Mais le cœur est une pompe relativement simple constituée d'une série de chambres entourées de tissu musculaire. Certains chercheurs ont déjà progressé dans la construction de structures d'organes et de tissus plus complexes. Un groupe du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine à Winston-Salem, en Caroline du Nord, a intégré des cellules nerveuses dans des muscles imprimés, une étape clé pour restaurer le contrôle et la fonction des muscles lors de futures transplantations.

La fabrication d'organes complexes à grande échelle, tels que le foie et le rein, représente toutefois un défi bien plus important. Ces organes sont des mélanges de nombreux types de cellules, imprégnés de réseaux de vaisseaux sanguins et de nerfs.

Jennifer Lewis, professeur d'ingénierie d'inspiration biologique à l'université de Harvard, qui a expérimenté l'impression de tissus, a une vision prudente des obstacles qu'il reste à surmonter. Recréer la fonction complète d'un organe - le synchronisme de l'action du cœur, par exemple, ou la fonction de filtration d'un rein - n'est pas chose facile. Une étape importante consistera à reproduire le processus d'organogenèse - où l'architecture multi-cellulaire des tissus et organes humains se forme dans l'embryon pour développer différentes fonctions, dit-elle.

"Nous constatons, par exemple, que souvent la fonction du tissu n'est pas aussi mature lorsqu'il est créé en laboratoire par opposition à in vivo", dit Lewis. "Ils pourraient faire ce genre de choses dans Westworld assez facilement, mais c'est le rêve. Pourtant, vous pouvez voir les moyens dont cela pourrait devenir une réalité d'ici quelques décennies."

Une entreprise, BioLife4D, qui développe et fabrique une technologie de bio-impression, se concentre sur l'impression de composants biologiques destinés à la réparation du cœur humain, en tant que tremplin vers la production d'un cœur entier imprimable et transplantable. L'entreprise estime qu'il existe un marché de plusieurs millions de dollars pour les différents composants, tels que les valves cardiaques, qu'elle devra apprendre à imprimer.

"Mais si vous êtes capable d'imprimer un foie, vous n'avez rien fait tant que vous n'avez pas imprimé le prochain foie entier", déclare Steve Morris, directeur général de l'entreprise. "D'un point de vue scientifique, vous pourriez aussi faire de la bio-ingénierie avec un cœur présentant un défaut spécifique pour permettre de tester un traitement."

Redwan souligne qu'à court terme, les organes imprimés permettront de modéliser plus efficacement les maladies en laboratoire et de faciliter le développement de médicaments. Cela devrait contribuer à réduire le nombre de tests sur les animaux. À moyen terme, lorsque des organes de taille normale seront imprimables, le défi consistera peut-être à répondre à la demande. Actuellement, il y a une énorme pénurie de donneurs d'organes pour répondre à la demande de ceux qui ont besoin d'une transplantation.

"Il y a, par exemple, environ un million de personnes dans le monde qui attendent une greffe de rein", explique M. Lewis.

L'Organisation mondiale de la santé estime qu'environ 130 000 greffes d'organes ont lieu chaque année, mais cela ne couvre que 10 % des besoins. Rien qu'aux États-Unis, 107 000 patients sont inscrits sur des listes d'attente de transplantation.

"Le simple fait de pouvoir offrir des organes à ces personnes aurait un impact énorme en soi", déclare M. Lewis.

Les personnes qui ont la chance de recevoir une greffe d'un donneur doivent également passer le reste de leur vie sous immunosuppresseurs pour empêcher leur corps de rejeter ces organes "étrangers". Mais si un nouvel organe peut être imprimé en utilisant leurs propres cellules, cela devrait réduire considérablement le risque de rejet.

Face à un tel besoin et à un tel avantage potentiel, la culture d'organes dans l'espace semble être plus intéressantes. Mais l'impression dans l'espace n'est pas bon marché.

La Bio Fabrication Facility de l'ISS a coûté 7 millions de dollars (3,7 milliards de Fcfa), auxquels il faut ajouter le coût de l'envoi des cellules et autres matières premières en orbite avant de ramener les organes en toute sécurité.

Les grandes séries de production seront également difficiles. Certains ont donc cherché à savoir si l'environnement de faible gravité que l'on trouve en orbite pouvait être reproduit sur Terre pour la culture d'organes complexes et délicats. La société médicale russe 3D Bioprinting Solutions, par exemple, a mis au point un système qui utilise un champ magnétique pour faire léviter les tissus pendant qu'ils forment la structure souhaitée.

Les scientifiques doivent également trouver le moyen de faire fonctionner la vascularisation et les terminaisons nerveuses d'un organe imprimé. Entre-temps, la Bio Fabrication Facility devrait être en mesure d'accepter des travaux pour des clients industriels et institutionnels désireux d'explorer plus avant son potentiel d'impression de tissus.

Certains, comme le scientifique en chef de Techshot, Gene Boland, imaginent un jour - dans les années 2030 ou 2040 peut-être - où des installations de bio-impression seront établies en orbite terrestre basse, profitant de l'environnement de microgravité pour imprimer des tissus humains toujours plus complexes, selon des spécifications peut-être toujours plus avancées.

Pour ceux qui tentent de développer cette révolution dans la technologie des transplantations, la quête est profondément personnelle.

"Ma fille est née avec un seul poumon", raconte Ken Church, directeur général de NScrypt, la société qui a contribué à la mise au point de la bio-imprimante utilisée par Andrew Morgan à bord de l'ISS.

"Elle a 27 ans et va bien maintenant, mais elle n'a toujours qu'un seul poumon. Mais cela m'a amené à me pencher sur le sujet de l'ingénierie tissulaire - à l'époque où la bio-imprimante n'existait pas encore - et j'ai été fasciné par cette idée."

NScrypt développe actuellement la prochaine génération de bio-imprimante, un bioréacteur, qui, plutôt que de bénéficier d'un environnement à faible gravité pour éviter la nécrose au centre de tout tissu imprimé, le fait avec d'autres approches, comme le faire tourner, le secouer ou l'infuser avec de l'oxygène pendant sa croissance.

"Si je peux faire pousser un poumon pour ma fille au cours de sa vie, cela m'enthousiasme", déclare M. Church.

Mais s'il est facile de se laisser emporter par l'excitation de l'impression d'organes à la demande, d'autres implications plus importantes méritent réflexion. La perspective de pouvoir imprimer des organes humains est, après tout, susceptible d'avoir un impact profond sur la société, notamment en raison de l'augmentation de la longévité moyenne qu'elle implique.

Si les maladies cardio-vasculaires sont la principale cause de décès de la plupart des Occidentaux (on estime qu'une personne sur trois en meurt), le remplacement du cœur par un cœur plus jeune et plus sain pourrait potentiellement allonger la durée de vie de plusieurs décennies. Il semble que cette idée ne fasse pas l'unanimité.

"Nous avons reçu des plaintes, dont un courriel nous qualifiant de "mal incarné"", explique M. Morris de BioLife4D. "Ils ont fait valoir que la possibilité d'imprimer des organes et de prolonger ainsi la vie n'était pas juste, étant donné la rareté des ressources qui entraîne déjà tant de souffrance, et que le fait de prolonger la vie ne ferait que prolonger cette souffrance."

Il y a d'autres difficultés potentielles d'ordre éthique à franchir.

"Que se passerait-il si un parent demandait que le cœur de son enfant de 12 ans soit remplacé par un cœur plus gros afin qu'il pompe plus fort, avec une plus grande efficacité, et qu'il devienne l'athlète vedette de l'école ?", suggère-t-il. "Si nous pouvons imprimer un cœur avec deux valves, pourquoi ne pas en imprimer un avec deux valves supplémentaires intégrées ? Personnellement, j'ai des doutes à ce sujet - si l'évolution ne nous a pas déjà donné un cœur avec des valves supplémentaires, nous ne devrions probablement pas aller dans cette direction. Mais si l'on devait de toute façon remplacer un organe, je n'aurais pas d'objection à le remplacer par un organe amélioré d'une manière ou d'une autre."

Face au coût élevé de l'impression d'organes - surtout s'ils sont cultivés en orbite - livrer des cœurs ou des poumons améliorés d'une manière ou d'une autre pourrait être un moyen d'attirer les personnes prêtes à payer pour ces techniques.

"Cela va être une question qui divise", déclare Ravi Birla, ingénieur tissulaire chez BioLife4D. "Si vous changez tout chez une personne, organe par organe, on peut soutenir que ce qui reste n'est pas l'humain qui est né, mais une autre créature."

Selon lui, si, pour l'instant, l'accent est mis sur l'utilisation des organes pour des opérations de sauvetage, il y aura inévitablement des comparaisons avec la chirurgie esthétique.

"La question est maintenant de savoir comment tracer la frontière entre les deux", dit-il. "Et il est facile de voir comment on pourrait considérer l'option des organes améliorés comme similaire à l'utilisation de médicaments améliorant les performances dans le sport - la plupart des gens peuvent être contre, mais ils sont toujours utilisés, toujours commercialisés."

Mais les utilisations les plus spectaculaires de l'impression d'organes ne se feront peut-être pas du tout ici sur Terre. Alors que les humains commencent à s'aventurer plus profondément dans l'espace en retournant d'abord sur la Lune, puis sur Mars, la bio-impression pourrait devenir un outil essentiel au maintien de la vie. À des millions de kilomètres de la Terre, les donneurs d'organes se feront rares, mais il en sera de même pour une autre chose : la nourriture.

"C'est la pointe de l'iceberg en ce qui concerne les possibilités d'impression d'organes", déclare M. Boland. Techshot, qui a financé en partie l'installation de la bio-imprimante sur l'ISS et a supervisé certaines des expériences de fonctionnement à distance, avec l'aide de l'astronaute Andrew Morgan,. L'entreprise a maintenant signé un accord avec la société Axiom Space pour installer la première bio-imprimante commerciale sur l'ISS également.

"À terme, la bio-impression sera également importante pour l'exploration de l'espace lointain - pour l'impression de cellules animales destinées à l'alimentation, ou de tissus en cas d'urgence médicale".

"En attendant, les expériences menées sur l'ISS vont permettre de percer certains des secrets de la bio-impression afin qu'elle fonctionne d'abord sur Terre. C'est tout juste le début".

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