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Une nouvelle dimension pour accélérer la R&D

Alexane Roupioz

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Une nouvelle dimension pour accélérer la R&D

L'impression 3D offre de nouvelles perspectives à la culture cellulaire.

© Organovo

Dans l'industrie pharmaceutique, la bio-impression se développe pour tendre vers une médecine plus personnalisée. D'une part, pour tester l'efficacité et la toxicité de molécules d'intérêt sur des tissus bio imprimés proches de ceux de l'utilisateur final. D'autre part, pour réaliser des screenings thérapeutiques sur des reconstitutions de tumeurs en cancérologie.

Depuis les années 1980, la législation européenne et française sur l'expérimentation animale vise à réduire le nombre d'expériences et d'animaux utilisés à des fins scientifiques. La réglementation s'appuie principalement sur le principe des « 3R » dont l'objectif est de réduire, remplacer et raffiner (comprendre améliorer les contraintes imposées aux animaux) les expériences conduites sur des animaux.

Elle encourage ainsi le développement de méthodes alternatives parmi lesquelles des technologies d'ingénierie tissulaire comme la culture in vitro de cellules. La culture cellulaire a longtemps été limitée à des supports en deux dimensions mais l'avènement de l'impression 3D a permis de fabriquer des architectures en relief pour y cultiver des cellules dans un environnement en trois dimensions. Dans ces cultures, les cellules prolifèrent cependant sans contrainte si bien que les structures finales manquent souvent d'organisation. Mais depuis une vingtaine d'années, le développement de la bio-impression permet de faire de la culture de cellules en 3D et d'obtenir des structures organisées.

Comme toute technologie d'impression 3D, le principe repose sur le dépôt couche par couche d'un matériau. Dans le cas de la bio-impression, il s'agit de bioencres composées de matériaux biosourcés d'origine animale ou végétale (collagène, sucre, cellulose, soie) et de cellules vivantes qui permettent d'obtenir des modèles complexes multicellulaires organisés. L'industrie cosmétique est l'une des premières à s'être emparée de cette technologie dont l'une des applications porteuses est la fabrication de peau, un tissu structuré en couches qui se prête bien à l'impression 3D.

Avec des technologies de bio-impression brevetées, des entreprises comme LabSkin Créations, une start-up lyonnaise hébergée à l'hôpital Edouard-Herriot, ou Poietis, une spin-off de l'Inserm et de l'Université de Bordeaux installée à Pessac en Gironde, fabriquent des échantillons de peau complexe à destination des industriels de la cosmétique. Bien maîtrisé sur des modèles de peau, ce savoir-faire est en cours de transfert vers l'industrie pharmaceutique. En effet depuis plus d'une dizaine d'années, les technologies ont gagné en résolution avec notamment le développement de la bio-impression assistée par laser (voir encadré p.44) permettant d'envisager des applications dans les sciences pharmaceutiques où les enjeux sont de taille.

« Au-delà de l'enjeu éthique lié à l'expérimentation animale, neuf molécules sur dix testées sur des souris se révèlent ensuite inefficaces chez l'homme : en testant les traitements sur des tissus proches de ceux du patient, la bio-impression doit permettre d'améliorer la fiabilité de ces résultats pour accélérer la mise sur le marché de composés actifs ou de molécules pharmaceutiques », explique Christophe Marquette, directeur de 3d.FAB, une plateforme de prestation d'impression 3D spécialisée dans le domaine de la santé, financée par la Région Auvergne-Rhône-Alpes et hébergée dans les locaux d'Axel'One à Villeurbanne.

Accélérer la mise sur le marché de médicaments

Dès les premiers stades de développement d'un médicament, la bio-impression est un outil pour tester l'efficacité et la sécurité des principes actifs et choisir la meilleure molécule au sein d'une série chimique.

À l'heure actuelle, cette approche est mature et déjà utilisée dans l'industrie pharmaceutique. Depuis une dizaine d'années, le groupe Servier utilise, par exemple, des cultures cellulaires de différents types comme les hépatocytes ou les cardiomyocytes pour tester ses solutions thérapeutiques.

« La technologie 3D permet d'obtenir des tissus très proches de ce qu'ils sont in vivo, et ces tissus sont fonctionnels plus longtemps que les cultures cellulaires en 2D en raison de leur complexité qui leur apporte des interactions cellulaires similaires à celles de l'organisme », détaille Nancy Claude en charge de la toxicologie au sein du groupe Servier.

En effet, contrairement à l'impression 3D qui imprime de la matière « inerte », la bio-impression imprime de la matière vivante. Le motif biologique subit des processus de fusion et de maturation qui évoluent en fonction du temps, de l'environnement et du motif imprimé. D'où la notion de bio-impression 4D où le temps représente la quatrième dimension. « Cette 4ème dimension temporelle est également un atout pour tester les médicaments plus longtemps que dans une culture cellulaire qui a une viabilité de quelques jours », ajoute Nancy Claude, la porte-parole du groupe Servier.

Pour développer des modèles de plus en plus réalistes, les recherches se concentrent désormais sur la bio-impression de structures associant différents types cellulaires. L'objectif ? Créer des organoïdes qui seront des modèles simplifiés d'organes. Des projets ont émergé pour développer des modèles de pancréas, de reins ou de rétine. Mais l'organe qui concentre la plupart des recherches est le foie. Organe de métabolisation des médicaments, le foie est une cible de toxicité qu'il est important d'identifier rapidement.

« La technologie 3-D permet d'obtenir des tissus très proches de ce qu'ils sont in vivo », Nancy Claude (Servier).

En novembre 2014, l'entreprise américaine Organovo a commercialisé l'exVive3D Human Liver Tissue. Il s'agit d'un tissu hépatique fonctionnel de 500 µm d'épaisseur composé de cellules souches, de fibroblastes et de cellules endothéliales destinés aux recherches en toxicologie hépatique notamment dans les essais précliniques. Les tissus imprimés sont conçus pour modéliser une architecture précise et reproductible qui peut rester entièrement fonctionnelle et stable jusqu'à 28 jours.

De son côté, le groupe Servier a mis en place un projet avec la société Poietis afin d'utiliser leur technologie de bio-impression pour reconstituer un tissu hépatique humain sur lequel le groupe pharmaceutique pourra tester ses médicaments. Enfin dans la modélisation de foie, l'un des projets les plus ambitieux est celui porté par le Département hospitalo-universitaire Hepatinov de l'AP-HP. Le projet de recherche hospitalo-universitaire iLite (Innovations for Liver Tissue Engineering) a pour objectif la production de mini-organes hépatiques.

Les recherches devraient notamment aboutir à la conception d'un système hépatique sur puce pluricellulaire et fonctionnel qui reproduira une architecture hépatique la plus proche de celle du foie humain afin d'appréhender les études de toxicologie. « Le système sur puce respectera une différenciation des cellules hépatiques la plus fine possible pour prendre en compte la différence de métabolisme et de propriétés des cellules hépatiques : en fonction de leur localisation par rapport aux veines, les cellules du foie ont une activité de synthèse de protéines ou de détoxification plus ou moins importante », explique le Professeur Jean-Charles Duclos-Vallée qui pilote le projet.

Les enjeux de la micro vascularisation

© Microlight 3D
Microlight 3D a imprimé ce modèle de capillaires sanguins micro-poreux par polymérisation à deux photons.
 
 

Comme dans tous les organoïdes développés à ce jour, ces mini-organes hépatiques ne pourront pas modéliser parfaitement le fonctionnement d'un foie humain. Un frein subsiste. À l'heure actuelle, les techniques de bio-impression ne parviennent pas à fabriquer des capillaires sanguins pour irriguer les tissus bio-imprimés. Sans vascularisation, le centre des structures privé d'oxygène meurt rapidement. La plupart du temps, l'alternative envisagée est la microfluidique qui utilise des micro canaux pour simuler l'écoulement des fluides dans les organes. Une approche encore bien loin de ce qu'il se passe réellement dans le corps humain.

Mais des scientifiques commencent à se pencher sur la question de la micro vascularisation. Au laboratoire BioTis, unité mixte de recherche Inserm/Université de Bordeaux, l'objectif à moyen terme est d'obtenir des organoïdes perfusés de grande taille pour assurer une viabilité à long terme. Pour mener à bien ce projet, le laboratoire dispose d'un atout de taille. Il héberge un Accélérateur de recherche technologique (ART) en bio-impression. Inauguré par l'Inserm en 2017, cet ART dédié à la diffusion de la bio-impression dans les laboratoires académiques héberge les trois principales technologies dans ce domaine.

« Nous travaillons par module : d'une part sur l'association de différents types cellulaires, et d'autre part sur différents types de vascularisation. L'idée est d'associer les deux pour améliorer la performance des organoïdes », explique Jean-Christophe Fricain, directeur du laboratoire BioTis.

La micro vascularisation, c'est aussi un sujet que Microlight 3D commence à étudier. La start-up grenobloise commercialise des machines de micro impression 3D par polymérisation à deux photons. Une technologie qui permet d'atteindre une résolution d'impression de 0,2 µm.

« Comme notre technologie permet d'imprimer des structures de quelques micromètres avec une microporosité, on pourrait reproduire la structure d'un capillaire sanguin », affirme Philippe Paliard, co-fondateur de Microlight 3D pour qui la micro vascularisation est un enjeu intéressant dans les années à venir. D'ici là, la jeune pousse iséroise met sa technologie au service de la cancérologie. Parallèlement à la conception d'organoïdes sains, l'une des principales applications de la bio-impression est la reproduction de tumeurs pour aider au traitement des cancers.

 

© Microlight 3D
La micro-impression 3D par polymérisation à deux photons permet d'atteindre des résolutions d'impression 100 plus fines que les autres techniques d'impression 3D.
 

Vers une personnalisation des traitements en cancérologie

Depuis fin 2017, Microlight 3D est partenaire du projet 3D-Oncochip financé par le Fonds unique interministériel. À partir de la biopsie d'un patient, l'idée est de reproduire in vitro une centaine de micro tumeurs en trois dimensions afin de tester différentes molécules et dosages de chimiothérapie. « Le screening des molécules thérapeutiques pourra être réalisé sur une vraie reproduction 3D de la tumeur du patient, c'est une approche de médecine personnalisée », précise Philippe Paliard.

Concrètement, Microlight 3D est en charge de la conception des architectures en polymère biocompatible des micro tumeurs. « Grâce à notre technologie, nous fabriquons une architecture composée de petites alvéoles destinées chacune à accueillir une cellule cancéreuse », détaille le co-fondateur de la start-up. Ensuite, le Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique (CNRS/Grenoble INP) a développé un procédé breveté de dépôt électrolytique de facteurs de croissance cellulaire pour bioactiver la structure. Enfin, l'entreprise lyonnaise CTI Biotech dispose d'une banque cellulaire qui lui donne accès à des cellules tumorales pour les déposer sur la structure.

« Le screening des molécules thérapeutiques pourra être réalisé sur une vraie reproduction 3-D de la tumeur du patient », Philippe Paliard, co-fondateur de Microlight 3-D.

La bio-impression de micro tumeurs est l'un des principaux axes d'innovation de CTI Biotech qui utilise des outils de bio ingénierie haute technologie dans ses recherches. En 2018, la PME lyonnaise a annoncé un partenariat avec l'entreprise suédoise Cellink, l'un des plus grands fabricants de bio-imprimantes 3D spécialisé dans les machines fonctionnant par micro extrusion. À Lyon, la plateforme 3d.FAB héberge elle aussi des projets « B to B » en cancérologie pour la reconstruction de tumeurs à partir de biopsies et de prélèvements. « Nous travaillons avec différents acteurs de la thérapie en cancérologie, notamment avec le centre Léon Bérard et d'autres acteurs privés », précise Christophe Marquette.

 

© Organovo
Organovo commercialise un tissu hépatique fonctionnel issu de la bio-impression
 

Répliques de tumeurs, de tissus, d'organes sains. La bio-impression met à disposition des industriels de précieux outils pour accélérer la mise sur le marché de nouveaux médicaments. Mais pourrait également contribuer à la fabrication des traitements eux-mêmes. Par exemple, le bio-impression permet d'envisager des pansements intelligents composés d'une architecture en collagène dopée d'ions bioactifs qui favoriseraient la cicatrisation de plaies chroniques. Un projet européen sur lequel travaille Microlight 3D.

Dans une approche de médecine personnalisée, l'impression 3D s'impose comme une technologie de choix pour la fabrication de médicaments sous forme de comprimés (voir encadré ci-dessus) afin d'ajuster le dosage et la solubilité en fonction des besoins du patient. Nul doute que l'impression 3D n'a pas fini de révolutionner l'industrie pharmaceutique, et la médecine.

LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE BIO-IMPRESSION

Les trois principales technologies de bio-impression présentes sur le marché ont des applications différentes en fonction de la résolution et de la quantité de produit biologique souhaitées.

  • La bio-impression par jet d'encre consiste à déposer goutte par goutte une bio encre composée de matériaux biosourcés d'origine animale ou végétale (collagène, sucre, cellulose, soie) et des cellules vivantes sur un substrat à l'aide d'une imprimante contenant une buse d'impression, une cartouche de bio encre et un substrat receveur. L'ensemble du dispositif est contrôlé par ordinateur. L'éjection de gouttes est déclenchée soit par une impulsion thermique de quelques millisecondes qui entraîne la formation d'une poche, soit par l'application d'une tension sur un cristal piézo-électrique qui entraîne la déformation mécanique du réservoir.
  • La bio-impression par micro-extrusion utilise des micro-seringues à travers lesquelles les bioencres sont poussées mécaniquement. Malgré une faible résolution d'impression de quelques centimètres à quelques millimètres, elle permet d'envisager l'impression de gros volumes intéressants pour des applications en médecine régénératrice. C'est la première technique de bio-impression mise sur le marché par la société américaine Organovo dans les années 2010.
  • Dans la bio-impression assistée par laser, la bio encre est déposée sur une plaque de verre. Une impulsion laser, dirigée grâce à un miroir et focalisée grâce à une lentille, vient frapper la plaque de verre provoquant la formation d'une gouttelette. Contrairement aux deux techniques précédentes qui imposent des contraintes mécaniques sur les cellules lors du passage de la bio encre dans les buses ou les seringues, la bio-impression assistée par laser assure une viabilité parfaite des cellules. À raison de 10 000 gouttes par seconde, elle permet d'imprimer rapidement de petites quantités. Et la précision du laser permet d'obtenir une résolution d'impression de l'ordre du micro mètre. Brevetée par l'Inserm, cette technologie est désormais commercialisée par Poietis, une spin-off du laboratoire.

 

VERS LA COMMERCIALISATION DE COMPRIMÉS IMPRIMÉS EN 3D

Fin juillet 2015 aux États-Unis, la Food and Drug Administration (FDA) a autorisé la mise sur le marché du premier médicament imprimé en 3D. Commercialisé par Aprecia Pharmaceuticals, le Spritam est un antiépileptique fabriqué à partir de la technologie d'impression 3D ZipDose brevetée par la société pharmaceutique américaine.

Les comprimés obtenus grâce à ce procédé d'impression peuvent contenir de fortes doses de principe actif, et ils ont une structure poreuse qui permet une rapide dispersion dans l'eau pour faciliter la prise du médicament, notamment chez les patients qui auraient des problèmes de déglutition.

Par ailleurs, fin 2017, Aprecia Pharmaceuticals a signé un partenariat avec Cambridge Cycle Pharmaceuticals. Dans le cadre de ce partenariat, le laboratoire pharmaceutique britannique ambitionne de commercialiser des médicaments imprimés en 3D pour les maladies rares souvent délaissées par l'industrie en raison de la difficulté à les développer et à les commercialiser pour un nombre restreint de patients.

© Sylvie Latieule

Les comprimés imprimés en 3D offrent de nouvelles propriétés pour la galénique.

 

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