Dans la recherche translationnelle, la création de modèles 3D in vitro qui reproduisent fidèlement l’environnement in vivo est essentielle pour faire progresser la compréhension scientifique et le développement thérapeutique1. Un élément clé de leur construction est l’utilisation d’analogues de matrice extracellulaire (ECM), tels que les extraits solubles de membrane basale (SBMes), qui reflètent mieux les complexités des tissus naturels. Les SBM sont particulièrement précieux dans divers domaines de recherche, de l’ingénierie tissulaire aux tests de médicaments 2,3. En particulier, ils sont devenus fondamentaux dans la recherche sur le cancer, car ils reproduisent les caractéristiques mécaniques et biochimiques du microenvironnement tumoral, permettant le développement de modèles qui reflètent mieux la croissance tumorale, les métastases et les réponses au traitement.
En effet, malgré des progrès considérables au cours des dernières décennies, de nombreuses thérapies continuent d’échouer, entraînant de fréquents échecs thérapeutiques en milieu clinique. Cet échec est souvent attribué à des mécanismes de résistance aux médicaments causés par des niveaux élevés d’hétérogénéité cellulaire 4,5. Des modèles in vitro efficaces, capables de récapituler avec précision les complexités des tumeurs humaines, sont cruciaux pour mieux comprendre l’évolution du cancer et anticiper ce phénomène.
Les cultures cellulaires 2D traditionnelles ont été fondamentales dans la recherche sur le cancer, mais peuvent conduire à des informations trompeuses sur l’efficacité des médicaments et le comportement tumorale, car elles ne parviennent pas à capturer la structure 3D et le microenvironnement des tumeurs réelles 6,7,8. En revanche, les modèles 3D in vitro sont apparus comme des alternatives prometteuses, offrant une représentation plus précise du microenvironnement tumoral et du comportement biologique en imitant la complexité 3D 9,10.
Dans la recherche sur le cancer, les organoïdes sont largement utilisés comme modèles 3D pour étudier les maladies et l’efficacité des médicaments, car ils fournissent des modèles plus précis et pertinents de tissus et d’organes humains. L’utilisation de SBMe, dérivé de cellules de sarcome de souris Engelbreth-Holm-Swarm, a joué un rôle essentiel dans l’avancement de la recherche sur le cancer11,12. Il fournit un substrat semblable à un gel dans lequel les cellules peuvent croître, proliférer et s’auto-organiser en structures organoïdes, assurant ainsi un développement et une croissance corrects13,14.
Cependant, SBMe pose un certain nombre de défis en raison de ses caractéristiques uniques et complexes. En tant que fluide non newtonien, le SBMe présente des propriétés d’amincissement par cisaillement, ce qui signifie que sa viscosité diminue avec l’augmentation de la contrainte de cisaillement, ce qui rend sa manipulation et son application incohérentes sous des forces variables. De plus, son comportement thixotrope ajoute à la complexité, car il peut récupérer sa viscosité au fil du temps lorsque la contrainte de cisaillement est supprimée15,16. Ces propriétés, associées à une faible résistance mécanique (avec des valeurs de module de stockage allant de 10 Pa à 5 000 Pa selon la concentration en protéines) et à un comportement thermosensible, aggravent ces défis, nécessitant un contrôle méticuleux lors de la préparation et de l’utilisation ainsi que la bio-impression pure.
Les systèmes de bio-impression pneumatiques standard ne parviennent pas à contrôler correctement la distribution de SBMe, car l’application de la pression provoque un comportement incontrôlable après son éjection de la seringue. Il est affecté par un phénomène similaire à l’effet « spurt » décrit pour les fusions polymères, dans lequel le débit augmente brusquement au-dessus d’une certaine valeur de pression critique 17,18,19. Comme indiqué dans nos travaux précédents16, la stratégie de distribution par contrôle volumétrique permet de découpler l’extrusion SBMe de la pression générée dans le distributeur, qui dépend des propriétés rhéologiques de la matrice, des conditions de travail et de la géométrie de la buse. Ces dernières années, plusieurs tentatives ont été faites sur le marché pour exploiter le même principe, avec le Matribot de Corning en tête. Il permet la manipulation et le dépôt de SBMe et d’autres bio-encres sensibles à la température grâce à des conditions de température contrôlées. Cependant, cela peut être coûteux, limitant l’accessibilité pour les petits laboratoires.
Dans notre article précédent, nous avons présenté une alternative personnalisée à faible coût, un système de bio-impression volumétrique16. Cette version était basée sur une imprimante 3D d’entrée de gamme modifiée avec une extrudeuse imprimée en 3D personnalisée. Malgré son efficacité dans la bio-impression, il présentait certaines limites dans la répétabilité de l’impression. Étant dérivé d’une imprimante 3D d’entrée de gamme, il avait quelques problèmes avec les mouvements Z et l’auto-homing. Pour répondre à ces besoins, nous avons développé une version avancée de notre système de distribution volumétrique personnalisé à faible coût et un protocole spécifique pour les structures de bio-impression à l’aide de SBMe.
Ici, nous fournissons des protocoles pour la construction et l’utilisation de ce système. Il est composé d’une extrudeuse volumétrique personnalisée, basée sur notre étude précédente16, d’un boîtier de bio-imprimante et d’un système de contrôle. La production et l’assemblage sont effectués pour chaque module. Lorsqu’il est assemblé et programmé avec un fichier gcode spécifique, conformément à la description du protocole pour la manipulation des matrices, le système est capable de bio-imprimer des constructions pures ou diluées à l’aide du SBMe avec une bonne fidélité de forme en couches simples et multiples.