Peau artificielle

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Contexte

La peau, le plus grand organe du corps humain, protège le corps contre les maladies et les dommages physiques, et aide à réguler la température corporelle. Il est composé de deux couches principales, l'épiderme et le derme. L'épiderme, ou couche externe, est composé principalement de cellules :kératinocytes, mélanocytes et langerhans. Le derme, composé principalement de fibres de tissu conjonctif telles que le collagène, alimente l'épiderme.

Lorsque la peau a été gravement endommagée par une maladie ou des brûlures, le corps ne peut pas agir assez rapidement pour fabriquer les cellules de remplacement nécessaires. Les plaies, telles que les ulcères cutanés dont souffrent les diabétiques, peuvent ne pas cicatriser et les membres doivent être amputés. Les victimes de brûlures peuvent mourir d'une infection et de la perte de plasma. Les greffes de peau ont été développées comme un moyen de prévenir de telles conséquences ainsi que de corriger les déformations. Dès le VIe siècle av. , des chirurgiens hindous ont participé à la reconstruction du nez, greffant des lambeaux cutanés du nez du patient. Gaspare Tagliacozzo, un médecin italien, a introduit la technique dans la médecine occidentale au XVIe siècle.

Jusqu'à la fin du vingtième siècle, les greffes de peau étaient construites à partir de la peau du patient (autogreffes) ou de la peau de cadavre (allogreffes). L'infection ou, dans le cas de la peau de cadavre, le rejet étaient les principales préoccupations. Alors que la peau greffée d'une partie du corps d'un patient à une autre est immunisée contre le rejet, les greffes de peau d'un donneur à un receveur sont rejetées de manière plus agressive que toute autre greffe de tissu ou greffe. Bien que la peau de cadavre puisse fournir une protection contre les infections et la perte de fluides pendant la période de guérison initiale d'une victime de brûlures, une greffe ultérieure de la propre peau du patient est souvent nécessaire. Le médecin est limité à la peau dont dispose le patient, un désavantage évident dans le cas des grands brûlés.

Au milieu des années 1980, des chercheurs en médecine et des ingénieurs chimistes, travaillant dans les domaines de la biologie cellulaire et de la fabrication de plastiques, ont uni leurs forces pour développer l'ingénierie tissulaire afin de réduire les incidences d'infection et de rejet. L'un des catalyseurs de l'ingénierie tissulaire a été la pénurie croissante d'organes disponibles pour la transplantation. En 1984, un chirurgien de la Harvard Medical School, Joseph Vacanti, a partagé sa frustration face au manque de foies disponibles avec son collègue Robert Langer, ingénieur chimiste au Massachusetts Institute of Technology. Ensemble, ils se sont demandé si de nouveaux organes pouvaient être cultivés en laboratoire. La première étape consistait à dupliquer la production de tissu du corps. Langer a eu l'idée de construire un échafaudage biodégradable sur lequel les cellules de la peau pourraient être cultivées à l'aide de fibroblastes, des cellules extraites de prépuces néonatals prélevés lors de la circoncision.

Dans une variante de cette technique développée par d'autres chercheurs, les fibroblastes extraits sont ajoutés au collagène, une protéine fibreuse présente dans le tissu conjonctif. Lorsque le composé est chauffé, le collagène se gélifie et piège les fibroblastes, qui à leur tour s'organisent autour du collagène, devenant compacts, denses et fibreux. Après plusieurs semaines, des kératinocytes, également extraits des prépuces donnés, sont ensemencés sur le nouveau tissu dermique, où ils créent une couche épidermique.

Une greffe de peau artificielle offre plusieurs avantages par rapport à celles dérivées du patient et des cadavres. Il élimine le besoin de tissu saisie. La peau artificielle peut être fabriquée en grande quantité et congelée pour le stockage et l'expédition, ce qui la rend disponible selon les besoins. Chaque culture fait l'objet d'un dépistage des agents pathogènes, ce qui réduit considérablement le risque d'infection. Parce que la peau artificielle ne contient pas de cellules immunogènes telles que les cellules dendritiques et les cellules endothéliales capillaires, elle n'est pas rejetée par l'organisme. Enfin, le temps de rééducation est considérablement réduit.

Matières premières

Les matières premières nécessaires à la production de peau artificielle se répartissent en deux catégories, les composants biologiques et l'équipement de laboratoire nécessaire. La plupart des tissus cutanés donnés proviennent de prépuces néonatals retirés lors de la circoncision. Un prépuce peut produire suffisamment de cellules pour fabriquer quatre acres de matériel de greffe. Les fibroblastes sont séparés de la couche dermique du tissu donné. Les fibroblastes sont mis en quarantaine pendant qu'ils sont testés pour les virus et autres agents pathogènes infectieux tels que le VII, les hépatites B et C et les mycoplasmes. Les antécédents médicaux de la mère sont enregistrés. Les fibroblastes sont conservés dans des flacons en verre et congelés dans de l'azote liquide à -94°F (-70°C). Les flacons sont conservés congelés jusqu'à ce que les fibroblastes soient nécessaires à la croissance des cultures. Dans la méthode au collagène, les kératinocytes sont également extraits du prépuce, testés et congelés.

Si les fibroblastes doivent être cultivés sur un échafaudage en maille, un polymère est créé en combinant des molécules d'acide lactique et d'acide glycolique, les mêmes éléments utilisés pour faire des sutures dissolvantes. Le composé subit une réaction chimique résultant en une molécule plus grosse qui consiste en des unités structurelles répétitives.

Dans la méthode au collagène, une petite quantité de collagène bovin est extraite du tendon extenseur des jeunes veaux. Le collagène est mélangé à un nutriment acide et conservé au réfrigérateur à 39,2 °F (4 °C).

L'équipement de laboratoire comprend des flacons en verre, des tubes, des flacons roulants, des cartouches de greffage, des moules et des congélateurs.

Le processus de fabrication

Le processus de fabrication est d'une simplicité trompeuse. Sa fonction principale est de faire croire aux fibroblastes extraits qu'ils sont dans le corps humain afin qu'ils communiquent entre eux de manière naturelle pour créer une nouvelle peau.

Méthode d'échafaudage maillé

• 1 Les fibroblastes sont décongelés et expansés. Les fibroblastes sont transférés des flacons dans des bouteilles roulantes, qui ressemblent à des bouteilles de soda d'un litre. Les bouteilles sont tournées sur le côté pendant trois à quatre semaines. L'action de roulement permet la circulation de l'oxygène, indispensable au processus de croissance.
• 2 Les cellules sont transférées dans un système de culture. Les cellules sont retirées des flacons roulants, combinées à un milieu riche en nutriments, acheminées à travers des tubes dans de minces bioréacteurs en forme de cassette abritant l'échafaudage en treillis biodégradable et stérilisées par rayonnement électronique. Au fur et à mesure que les cellules affluent dans les cassettes, elles adhèrent au maillage et commencent à se développer. Les cellules circulent dans les deux sens pendant trois à quatre semaines. Chaque jour, les restes de suspension cellulaire sont retirés et des nutriments frais sont ajoutés. L'oxygène, le pH, le flux de nutriments et la température sont contrôlés par le système de culture. Au fur et à mesure que les nouvelles cellules créent une couche de peau dermique, le polymère se désintègre.
• 3 Cycle de croissance terminé. Lorsque la croissance cellulaire sur le maillage est terminée, le tissu est rincé avec un milieu plus riche en nutriments. Un cryoprotecteur est ajouté. Les cassettes sont stockées individuellement, étiquetées et congelées.

Méthode au collagène

• 4 Les cellules sont transférées dans un système de culture. Une petite quantité de collagène froid et de milieux nutritifs, environ 12 % de la solution combinée, est ajoutée aux fibroblastes. Le mélange est versé dans des moules et laissé revenir à température ambiante. Au fur et à mesure que le collagène se réchauffe, il se gélifie, emprisonnant les fibroblastes et générant la croissance de nouvelles cellules cutanées.
• 5 Kératinocytes ajoutés. Deux semaines après l'ajout du collagène aux fibroblastes, les kératinocytes extraits sont décongelés et ensemencés sur la nouvelle peau dermique. On les laisse pousser pendant plusieurs jours puis on les expose à l'air, induisant les kératinocytes à former des couches épidermiques.
• 6 Cycle de croissance terminé. La nouvelle peau est conservée dans des récipients stériles jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire.

Le futur

La profession médicale utilise la technologie de la peau artificielle pour faire œuvre de pionnier dans la reconstruction d'organes. On espère que ce soi-disant tissu structurel artificiel remplacera un jour, par exemple, les prothèses en plastique et en métal actuellement utilisées pour remplacer les articulations et les os endommagés. Les oreilles et le nez seront reconstruits en ensemençant des cellules cartilagineuses sur un treillis polymère. La régénération des tissus mammaires et urétraux est actuellement à l'étude au laboratoire. Grâce à cette technologie, il est possible qu'un jour, des foies, des reins et même des cœurs soient cultivés à partir de tissus humains.