Impression 3D biologique de modèles tumoraux et leurs applications potentielles : une revue

Contexte académique

Le cancer est l’une des principales causes de mortalité humaine dans le monde. Sa prolifération anormale incontrôlée, sa croissance rapide, sa métastase et son hétérogénéité élevée rendent les modèles traditionnels de culture cellulaire en deux dimensions (2D) et les modèles animaux peu efficaces pour la recherche en diagnostic et traitement des tumeurs, avec un taux de traduction clinique très faible. Pour surmonter ces limitations, les chercheurs ont un besoin urgent de développer des modèles tumoraux plus appropriés. Ces dernières années, la technologie d’impression 3D biologique, en tant que technologie émergente, permet de fabriquer des modèles tumoraux qui reproduisent plus fidèlement l’organisation spatiale, les ressources cellulaires et les caractéristiques du microenvironnement (telles que l’hypoxie, la nécrose et la prolifération retardée) des tumeurs humaines réelles, en régulant avec précision la distribution spatiale des cellules, des biomolécules et des composants matriciels. Cette revue vise à explorer les applications de la technologie d’impression 3D biologique dans la construction de modèles tumoraux, en particulier pour les gliomes, les cancers du sein, du foie, de l’intestin, du col de l’utérus, de l’ovaire et les neuroblastomes, et présente en détail les progrès des modèles tumoraux imprimés en 3D dans les domaines du microenvironnement tumoral, de la vascularisation tumorale, des cellules souches tumorales, de la résistance aux traitements et du criblage de médicaments, de l’immunothérapie tumorale et de la médecine de précision.

Source de l’article

Cette revue a été co-écrite par Huaixu Li, Yang Qiao, Xingliang Dai, Haotian Tian, Zhenyu Han, Sheng Cheng, Peng Gao et Hongwei Cheng. Les auteurs sont affiliés au Département de Neurochirurgie du Premier Hôpital Affilié de l’Université Médicale d’Anhui, à l’Institut de Génie Médical Numérique de l’Est de la Chine, au Département de Technologie d’Imagerie Médicale du Premier Collège Clinique de l’Université Médicale d’Anhui et au Département de Neurochirurgie de l’Hôpital Jinling affilié à l’École de Médecine de l’Université de Nanjing. L’article a été publié en ligne le 14 novembre 2024 dans la revue Bio-design and Manufacturing, avec le DOI 10.1007/s42242-024-00317-y.

Contenu principal de l’article

1. Technologie d’impression 3D biologique et son application dans les modèles tumoraux

La technologie d’impression 3D biologique est une innovation permettant le dépôt rapide, précis et quantitatif de composants biologiquement actifs (tels que des cellules vivantes, des biomatériaux, des médicaments, des hormones de croissance et des génomes) pour construire des tissus actifs avec des structures spatiales complexes. Actuellement, les principales technologies d’impression 3D biologique incluent l’impression biologique à base de gouttelettes (Droplet-based Bioprinting, DBB), l’impression biologique par extrusion (Extrusion-based Bioprinting, EBB), l’impression biologique assistée par laser (Laser-assisted Bioprinting, LAB) et l’impression biologique par photopolymérisation (Stereolithography Bioprinting, SLB/DLB). Chaque technologie a ses avantages et inconvénients. Par exemple, le DBB est rapide, flexible et facile à utiliser, mais il présente des limitations telles que le choix limité de bioencres, la taille hétérogène des gouttelettes et l’obstruction des buses. L’EBB, quant à elle, est adaptée à l’impression de tissus à haute densité cellulaire, mais peut entraîner une déformation des structures cellulaires et une perte de viabilité.

2. Sélection et application des bioencres (Bioinks)

Les bioencres sont des matériaux clés pour l’impression 3D biologique, généralement composés de cellules, de matrices et d’autres biomatériaux. Selon leur origine, les bioencres peuvent être classées en deux catégories : naturelles et synthétiques. Les bioencres naturelles, comme la gélatine, l’acide hyaluronique, la fibrine et la matrice extracellulaire décellularisée (Decellularized Extracellular Matrix, DECM), offrent une bonne biocompatibilité et un soutien cellulaire, mais peuvent présenter des variations entre les lots et des propriétés mécaniques médiocres. Les bioencres synthétiques, comme le polyéthylène glycol (Polyethylene Glycol, PEG) et le poly(lactide-co-glycolide) (Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA), ont une meilleure adaptabilité et des propriétés mécaniques supérieures, mais peuvent poser des problèmes de compatibilité cellulaire et de toxicité des solvants.

3. Applications spécifiques des modèles tumoraux imprimés en 3D

3.1 Modèles de gliomes

Les gliomes sont parmi les tumeurs malignes les plus courantes du système nerveux central, caractérisées par une malignité élevée, un taux de récidive élevé et un pronostic sombre. Les modèles de gliomes imprimés en 3D permettent de mieux simuler le microenvironnement tumoral et d’étudier l’enrichissement des cellules souches de gliomes et leur potentiel de transformation endothéliale vasculaire. Par exemple, une équipe de recherche a utilisé la technologie d’impression 3D biologique pour construire un modèle de cellules souches de gliomes, révélant une invasion accrue et une résistance au témozolomide dans un environnement 3D.

3.2 Modèles de cancer du sein

Le cancer du sein est l’une des principales menaces pour la santé humaine dans le monde. La technologie d’impression 3D biologique permet de construire des modèles de cancer du sein incluant des cellules tumorales, des adipocytes et une matrice, pour étudier les interactions entre les cellules tumorales et les adipocytes, ainsi que l’invasion et la résistance aux médicaments. Par exemple, des chercheurs ont utilisé l’impression biologique par laser direct pour construire un modèle de cancer du sein, simulant avec succès le processus d’invasion des cellules cancéreuses dans le tissu adipeux.

3.3 Modèles de cancer du foie

Le carcinome hépatocellulaire (Hepatocellular Carcinoma, HCC) est le cinquième cancer le plus fréquent dans le monde, et son développement est étroitement lié à la rigidité de la matrice extracellulaire du foie. Les modèles de cancer du foie imprimés en 3D permettent de mieux simuler l’environnement mécanique 3D du foie et d’étudier la prolifération et les caractéristiques invasives des cellules cancéreuses. Par exemple, des chercheurs ont utilisé la technologie d’impression 3D par photopolymérisation pour construire un modèle de cancer du foie, révélant que les échafaudages DECM avec une rigidité cirrhotique inhibaient la prolifération des cellules cancéreuses et augmentaient l’expression des marqueurs d’invasion.

3.4 Modèles de cancer de l’intestin

Le cancer de l’intestin est une maladie grave, dont le microenvironnement tumoral est composé de fibroblastes associés aux tumeurs et de cellules endothéliales. Les modèles de cancer de l’intestin imprimés en 3D permettent de mieux simuler le microenvironnement tumoral et d’étudier la résistance aux médicaments et le criblage des cellules tumorales. Par exemple, des chercheurs ont utilisé la technologie d’impression 3D biologique pour construire un modèle multicellulaire incluant des cellules tumorales, des macrophages associés aux tumeurs et des cellules endothéliales, montrant une résistance accrue aux médicaments de chimiothérapie.

3.5 Modèles de cancer du col de l’utérus

Le cancer du col de l’utérus est l’un des premiers modèles tumoraux étudiés par impression 3D biologique. Les modèles imprimés en 3D permettent de mieux simuler la morphologie tridimensionnelle et le microenvironnement des tumeurs, et d’étudier les caractéristiques d’invasion et de migration des cellules tumorales. Par exemple, des chercheurs ont utilisé l’impression 3D par extrusion pour construire un modèle de cancer du col de l’utérus, révélant une viabilité cellulaire et une invasivité accrues dans un environnement 3D.

3.6 Modèles de cancer de l’ovaire

La technologie d’impression 3D biologique permet une production automatisée à haut débit de modèles de cancer de l’ovaire, pour étudier les mécanismes de rétroaction entre les cellules tumorales et les cellules stromales. Par exemple, des chercheurs ont utilisé l’impression biologique à base de gouttelettes pour construire un modèle de microtissu de cancer de l’ovaire, simulant avec succès les interactions entre les cellules tumorales et les cellules stromales.

3.7 Modèles de neuroblastome

Le neuroblastome est l’une des tumeurs solides les plus courantes chez les enfants, avec un pronostic sombre. Les modèles de neuroblastome imprimés en 3D permettent de mieux simuler le microenvironnement tumoral et d’étudier les caractéristiques d’invasion et de migration des cellules tumorales. Par exemple, des chercheurs ont utilisé l’impression 3D par extrusion pneumatique pour construire un modèle de neuroblastome, évaluant avec succès l’efficacité de deux médicaments de chimiothérapie.

4. Recherche appliquée sur les modèles tumoraux imprimés en 3D

4.1 Construction du microenvironnement tumoral

Le microenvironnement tumoral est crucial pour la survie et le développement des cellules tumorales. La technologie d’impression 3D biologique permet de réguler avec précision la distribution spatiale des cellules et des biomatériaux, construisant des modèles plus proches du microenvironnement tumoral réel. Par exemple, des chercheurs ont utilisé l’impression 3D biologique pour construire un modèle de sphéroïdes multicellulaires incluant des cellules de cancer du col de l’utérus et une matrice, révélant une résistance accrue aux médicaments dans un environnement 3D.

4.2 Vascularisation tumorale

La technologie d’impression 3D biologique permet de construire des modèles de co-culture incluant des cellules tumorales et des cellules endothéliales, pour étudier les mécanismes de vascularisation tumorale. Par exemple, des chercheurs ont utilisé l’impression 3D biologique pour construire un modèle de co-culture de cellules de gliomes et de cellules endothéliales, formant avec succès des structures ressemblant à des vaisseaux dans un environnement 3D.

4.3 Cellules souches tumorales

Les cellules souches tumorales ont la capacité de s’auto-renouveler et de se différencier en divers types de cellules tumorales, jouant un rôle clé dans la survie, la croissance, la métastase et la récidive des tumeurs. Les modèles de cellules souches tumorales imprimés en 3D permettent de mieux simuler le microenvironnement tumoral et d’étudier les caractéristiques biologiques des cellules souches. Par exemple, des chercheurs ont utilisé l’impression 3D biologique pour construire un modèle de cellules souches de gliomes, révélant une prolifération plus stable dans un environnement 3D.

Signification et valeur de l’article

Cette revue résume de manière exhaustive les progrès de la technologie d’impression 3D biologique dans la construction de modèles tumoraux, détaillant les modèles imprimés en 3D pour différents types de tumeurs et leurs applications dans les domaines du microenvironnement tumoral, de la vascularisation tumorale, des cellules souches tumorales, de la résistance aux traitements et du criblage de médicaments, de l’immunothérapie tumorale et de la médecine de précision. Les modèles tumoraux imprimés en 3D permettent de mieux simuler les caractéristiques biologiques des tumeurs réelles, offrant une plateforme expérimentale plus précise et fiable pour la recherche et le traitement des tumeurs. De plus, cet article fournit des références et des orientations importantes pour les recherches futures, favorisant une application plus large de la technologie d’impression 3D biologique dans l’étude des tumeurs.

Points forts et innovations

1. Couverture de multiples types de tumeurs : L’article détaille les modèles imprimés en 3D pour les gliomes, les cancers du sein, du foie, de l’intestin, du col de l’utérus, de l’ovaire et les neuroblastomes, montrant le large potentiel d’application de cette technologie.
2. Simulation précise du microenvironnement tumoral : Les modèles tumoraux imprimés en 3D permettent de mieux simuler le microenvironnement tumoral, offrant une plateforme expérimentale plus précise pour la recherche en biologie tumorale et le criblage de médicaments anticancéreux.
3. Recherche sur la vascularisation et les cellules souches tumorales : L’article présente en détail les applications de la technologie d’impression 3D biologique dans l’étude de la vascularisation tumorale et des cellules souches tumorales, offrant de nouvelles perspectives pour comprendre les mécanismes d’invasion et de métastase des tumeurs.
4. Potentiel pour la médecine personnalisée : Les modèles tumoraux spécifiques aux patients, construits par impression 3D biologique, peuvent fournir des bases expérimentales importantes pour la médecine personnalisée, favorisant le développement de la médecine de précision.

Conclusion

Cette revue explore de manière exhaustive les applications de la technologie d’impression 3D biologique dans la construction de modèles tumoraux, montrant le potentiel considérable de cette technologie dans la recherche sur les tumeurs. Les modèles tumoraux imprimés en 3D permettent de mieux simuler les caractéristiques biologiques des tumeurs réelles, offrant une plateforme expérimentale plus précise et fiable pour la recherche et le traitement des tumeurs. À l’avenir, avec les progrès continus de la technologie, l’impression 3D biologique devrait jouer un rôle encore plus important dans la recherche sur les tumeurs et la médecine personnalisée.