Les chercheurs ont bio-imprimé des cellules de la plante modèle Arabidopsis thaliana et du soja pour étudier non seulement si les cellules végétales vivraient après avoir été bio-imprimées – et pendant combien de temps – mais aussi pour examiner comment elles acquièrent et changent leur identité et leur fonction.

« Une racine de plante a beaucoup de types de cellules différents avec des fonctions spécialisées », a déclaré Lisa Van den Broeck, chercheuse postdoctorale de NC State qui est la première auteure d’un article décrivant le travail. « Il existe également différents ensembles de gènes exprimés ; certains sont spécifiques aux cellules. Nous voulions savoir ce qui se passe après que vous ayez bio-imprimé des cellules vivantes et que vous les ayez placées dans un environnement que vous concevez : sont-elles vivantes et font-elles ce qu’elles devraient faire ? »

Le processus de bioimpression 3D des cellules végétales est mécaniquement similaire à l’encre d’impression ou aux plastiques, avec quelques ajustements nécessaires.

« Au lieu de l’encre d’impression 3D ou du plastique, nous utilisons de la » bioencre « ou des cellules végétales vivantes », a déclaré Van den Broeck. « Les mécanismes sont les mêmes dans les deux processus avec quelques différences notables pour les cellules végétales : un filtre ultraviolet utilisé pour maintenir l’environnement stérile et plusieurs têtes d’impression – plutôt qu’une seule – pour imprimer simultanément différentes bio-encres. »

Des cellules végétales vivantes sans parois cellulaires, ou protoplastes, ont été bio-imprimées avec des nutriments, des hormones de croissance et un agent épaississant appelé agarose – un composé à base d’algues. L’agarose aide à fournir de la force aux cellules et un échafaudage, semblable au mortier qui supporte les briques dans le mur d’un bâtiment.

« Nous avons constaté qu’il est essentiel d’utiliser un échafaudage approprié », a déclaré Ross Sozzani, professeur de biologie végétale et microbienne à NC State et co-auteur correspondant de l’article. « Lorsque vous imprimez la bioencre, vous avez besoin qu’elle soit liquide, mais lorsqu’elle sort, elle doit être solide. Imiter l’environnement naturel aide à maintenir les signaux et les signaux cellulaires comme ils le feraient dans le sol. »

La recherche a montré que plus de la moitié des cellules bio-imprimées en 3D étaient viables et divisées au fil du temps pour former des microcals, ou de petites colonies de cellules.

« Nous nous attendions à une bonne viabilité le jour où les cellules ont été bio-imprimées, mais nous n’avions jamais maintenu les cellules quelques heures après la bio-impression, nous n’avions donc aucune idée de ce qui se passerait quelques jours plus tard », a déclaré Van den Broeck. « Des plages de viabilité similaires sont affichées après le pipetage manuel des cellules, de sorte que le processus d’impression 3D ne semble pas faire quoi que ce soit de nocif pour les cellules. »

« Il s’agit d’un processus manuellement difficile, et la bio-impression 3D contrôle la pression des gouttelettes et la vitesse à laquelle les gouttelettes sont imprimées », a déclaré Sozzani. « La bio-impression offre une meilleure opportunité pour le traitement à haut débit et le contrôle de l’architecture des cellules après la bio-impression, comme les couches ou les formes en nid d’abeilles. »

Les chercheurs ont également bio-imprimé des cellules individuelles pour tester si elles pouvaient se régénérer, ou se diviser et se multiplier. Les résultats ont montré que les cellules des racines et des pousses d’Arabidopsis avaient besoin de différentes combinaisons de nutriments et d’échafaudages pour une viabilité optimale.

Pendant ce temps, plus de 40% des cellules embryonnaires individuelles de soja sont restées viables deux semaines après la bio-impression et se sont également divisées au fil du temps pour former des microcals.

« Cela montre que la bio-impression 3D peut être utile pour étudier la régénération cellulaire dans les plantes cultivées », a déclaré Sozzani.

Enfin, les chercheurs ont étudié l’identité cellulaire des cellules bio-imprimées. Les cellules racinaires d’Arabidopsis et les cellules embryonnaires de soja sont connues pour leurs taux de prolifération élevés et leur absence d’identités fixes. En d’autres termes, comme les cellules souches animales ou humaines, ces cellules peuvent devenir différents types de cellules.

« Nous avons découvert que les cellules bio-imprimées peuvent prendre l’identité des cellules souches ; elles se divisent, se développent et expriment des gènes spécifiques », a déclaré Van den Broeck. « Lorsque vous bio-imprimez, vous imprimez toute une population de types de cellules. Nous avons pu examiner les gènes exprimés par des cellules individuelles après la bio-impression 3D pour comprendre tout changement dans l’identité cellulaire. »

Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs travaux en étudiant la communication cellulaire après la bioimpression 3D, y compris au niveau de la cellule unique.

« Tout compte fait, cette étude montre le potentiel puissant de l’utilisation de la bio-impression 3D pour identifier les composés optimaux nécessaires pour soutenir la viabilité et la communication des cellules végétales dans un environnement contrôlé », a déclaré Sozzani.

La recherche apparaît dans Avancées scientifiques et a été soutenu par la subvention EAGER de la National Science Foundation MCB #203928 et par BASF Plant Sciences. Tim Horn, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à NC State, est co-auteur correspondant de l’article.