Application de la technologie d’impression 3D dans la recherche sur la vascularisation des muscles squelettiques

Contexte académique

Le tissu musculaire squelettique est l’un des tissus les plus importants du corps humain, dont la fonction dépend de la relation étroite entre les myotubes et le réseau vasculaire. Le réseau vasculaire fournit non seulement de l’oxygène et des nutriments aux muscles squelettiques, mais joue également un rôle clé dans le processus de réparation des lésions musculaires. Cependant, lorsque les lésions musculaires squelettiques dépassent 20 %, les traitements traditionnels de transplantation musculaire autologue ont une efficacité limitée et un taux d’échec élevé. Ces dernières années, le développement de l’ingénierie tissulaire a offert de nouvelles possibilités pour la réparation des muscles squelettiques, en particulier grâce à l’application de la technologie d’impression tridimensionnelle (3D), qui permet de construire des tissus musculaires squelettiques avec un réseau vasculaire. Cependant, la manière de réguler avec précision l’interaction entre les muscles squelettiques et le réseau vasculaire in vitro reste un défi majeur à résoudre.

Cette étude vise à explorer, grâce à la technologie de bio-impression 3D, les interactions complexes entre les muscles squelettiques et les cellules endothéliales dans le processus de vascularisation, et à développer une méthode permettant de réguler avec précision la vascularisation des muscles squelettiques dans le temps et l’espace. En construisant des tissus musculaires squelettiques vascularisés présentant des caractéristiques biomimétiques, l’équipe de recherche espère fournir de nouvelles pistes pour l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative futures.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Minxuan Jia, Tingting Fan, Tan Jia, Xin Liu, Heng Liu et Qi Gu. L’équipe de recherche provient de l’Institut de zoologie de l’Académie chinoise des sciences, de l’Institut de médecine régénérative et de cellules souches de Pékin, et de l’hôpital Jishuitan de l’Université médicale de la capitale. L’article a été publié en ligne le 26 septembre 2024 dans la revue Bio-design and Manufacturing, avec le DOI 10.1007/s42242-024-00315-0.

Processus et résultats de la recherche

1. Culture cellulaire et préparation de l’encre biologique

L’équipe de recherche a d’abord travaillé avec la lignée cellulaire de myoblastes de souris C2C12 et les cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVECs), en les cultivant séparément. Les cellules C2C12 ont été cultivées dans un milieu de prolifération, tandis que les HUVECs ont été cultivées dans des boîtes de Petri recouvertes de gélatine. Pour l’impression 3D, l’équipe a préparé deux types d’encres biologiques : une encre chargée de cellules C2C12 composée de fibrinogène et de gélatine, et un mélange de fibrinogène/gélatine chargé de HUVECs (HFG).

2. Impression 3D et construction des muscles squelettiques

L’équipe a utilisé une imprimante 3D biologique pour imprimer des faisceaux musculaires squelettiques à partir de l’encre biologique chargée de cellules C2C12. Pendant le processus d’impression, la température et la pression ont été ajustées pour garantir que l’encre biologique reste dans un état de gel. Après l’impression, les faisceaux musculaires ont été fixés sur des supports pré-imprimés et réticulés à l’aide de thrombine. Les résultats expérimentaux ont montré que la largeur des faisceaux musculaires imprimés changeait de manière significative au début de la culture, mais que le taux de survie cellulaire atteignait 90 %, indiquant que l’impression 3D avait un impact minimal sur les cellules.

3. Construction des muscles squelettiques vascularisés

Pour construire des muscles squelettiques vascularisés, l’équipe a conçu deux stratégies : l’une consistait à adhérer une monocouche de HUVECs à la surface des faisceaux musculaires, et l’autre à envelopper les faisceaux musculaires avec du HFG. Les expériences ont montré que les HUVECs adhérant en monocouche se détachaient progressivement pendant la culture, ne permettant pas la formation d’un réseau vasculaire stable. En revanche, la méthode d’enveloppement avec du HFG a permis aux HUVECs de se cultiver à long terme à l’extérieur des faisceaux musculaires et de former progressivement un réseau vasculaire. De plus, l’équipe a découvert que l’introduction de HUVECs à un stade avancé de la différenciation musculaire favorisait de manière significative la formation de myotubes et le développement du réseau vasculaire.

4. Résultats expérimentaux et analyse

Grâce à la coloration immunofluorescente et à la réaction en chaîne par polymérase quantitative après transcription inverse (RT-qPCR), l’équipe a évalué le degré de différenciation et de vascularisation des muscles squelettiques vascularisés. Les résultats ont montré que dans le groupe où les HUVECs étaient introduites au jour 7 de la différenciation musculaire (groupe DM7+6), la longueur des myotubes et le nombre de noyaux augmentaient de manière significative, indiquant une différenciation plus mature des myotubes. En outre, l’expression des marqueurs de vascularisation CD31 et VE-cadhérine était significativement plus élevée que dans les autres groupes, indiquant une formation plus complète du réseau vasculaire.

Conclusion et signification

Cette étude a réussi à construire des tissus musculaires squelettiques vascularisés présentant des caractéristiques biomimétiques grâce à la technologie de bio-impression 3D. Les résultats montrent que l’introduction de cellules endothéliales à un stade avancé de la différenciation musculaire favorise de manière significative la formation de myotubes et le développement du réseau vasculaire. Cette découverte offre de nouvelles perspectives pour l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative futures, en particulier dans la construction de muscles squelettiques à grande échelle et alignés physiologiquement.

Points forts de la recherche

1. Méthode innovante : Cette étude combine pour la première fois la technologie de bio-impression 3D et la modélisation 3D pour réaliser la co-construction des muscles squelettiques et du réseau vasculaire.
2. Régulation temporelle : En régulant avec précision le moment d’introduction du réseau vasculaire, l’équipe a optimisé le processus de différenciation musculaire.
3. Caractéristiques biomimétiques : Les tissus musculaires squelettiques vascularisés construits présentent un haut degré de biomimétisme, jetant les bases pour des applications cliniques futures.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également développé un moule “trois en un” (three-in-one mold) pour envelopper les faisceaux musculaires avec du HFG. Ce moule, fabriqué en polydiméthylsiloxane (PDMS), possède une bonne flexibilité et hydrophobie, réduisant efficacement l’adhésion de la fibrine et facilitant la manipulation et le démoulage.

Cette étude fournit non seulement une nouvelle méthode de recherche pour la vascularisation des muscles squelettiques, mais ouvre également de nouvelles voies pour l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative futures.