In vivo, les cellules souches résident au sein de niches, des microenvironnements extrêmement spécialisés qui leur permettent de réguler leur prolifération ainsi que leur différentiation en cellules matures et fonctionnelles. Ces microenvironnements sont caractérisés par des interactions cellules-cellules, la présence de facteurs de croissance et de cytokines, et une matrice extracellulaire, qui fournissent des signaux qui permettent de contrôler le comportement des cellules souches.Bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) est un facteur de croissance ostéoinductif qui est impliqué dans toutes les étapes de la différentiation ostéoblastique, ainsi que dans la transdifférentiation de myoblastes vers une lignée ostéogénique. In vivo, ce facteur existe à la fois en solution et lié à la matrice extracellulaire. Bien que ces deux modes de présentation influencent les comportements cellulaires de façon distincte, leur rôle dans le microenvironnement de la niche et leur pertinence fonctionnelle dans la genèse de la réponse biologique n’a presque pas été étudié à l’échelle cellulaire. Ici nous avons utilisé l’affinité naturelle de la BMP-2 pour la fibronectine afin de créer des micromotifs de BMP-2 de taille cellulaire sur des biomatériaux mous.Cette technique nous a permis de contrôler simultanément la présentation spatiale de la BMP-2 liée à la fibronectine, ainsi que l’étalement cellulaire. Ces micromotifs ont induit une organisation d’actine et d’adhésions focales autour du noyau, et a déclenché la phosphorylation et la translocation nucléaire de SMAD1/5/8 dans des myoblastes murins C2C12 et des cellules souches mésenchymateuses. Ceci est un indicateur précoce de leur transdifférentiation ostéoblastique. Nous avons trouvé que l’étalement cellulaire lui-même facilitait la phosphorylation de SMAD1/5/8 dépendante de la BMP-2, et avons démontré que la signalisation SMAD médiée par la fibronectine et la BMP-2 dépendait de LIM kinase 2 et de ROCK, plutôt que d’une activation de la myosine II.Nous avons également pu utiliser cet outil pour étudier les cinétiques d’adhésion et d’étalement, les changements d’organisation du cytosquelette dépendants du mode de présentation de la BMP-2, et la signalisation entre la matrice et la cellule, médiée par les intégrines. Nous avons obtenu des résultats préliminaires suggérant un effet du mode de présentation de la BMP-2 sur les forces cellulaires, suggérant que le mode de présentation des facteurs de croissance pourrait être pertinent à d’autres mécanismes cellulaires tels que la mécanotransduction.Dans l’ensemble, nous résultats montrent que les patterns de BMP-2 liée à la fibronectine sont un outil utile à l’étude de mécanismes cellulaires. De façon plus large, notre approche pourrait être adaptée à d’autres combinaisons de protéines de la matrice et de facteurs de croissance, ouvrant ainsi une avenue fascinante pour recréer in vitro des niches spécifiques aux tissus. / In vivo, stem cells reside within niches, highly specialized microenvironments which allow them to regulate their self-renewal and differentiation into mature and functional cells. These microenvironments are characterized by cell-cell interactions, the presence of growth factors and cytokines, and an extracellular matrix, all of which provide cues that control stem cell behavior.Bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) is an osteoinductive growth factor which is involved in all stages of osteoblastic differentiation, as well as the transdifferentiation of myoblasts toward an osteogenic lineage. In vivo, it exists both in solution and bound to the ECM. While these two modes of presentation are known to influence cell behavior distinctly, their role in the niche microenvironment and their functional relevance in the genesis of a biological response has sparsely been investigated at a cellular level. Here we used the natural affinity of BMP-2 for fibronectin (FN) to engineer cell-sized micropatterns of BMP-2 on soft biomaterials.This technique allowed the simultaneous control of the spatial presentation of fibronectin-bound BMP-2 and cell spreading. These micropatterns induced a specific actin and adhesion organization around the nucleus, and triggered the phosphorylation and nuclear translocation of SMAD1/5/8 in C2C12 myoblasts and mesenchymal stem cells, an early indicator of their osteoblastic transdifferentiation. We found that cell spreading itself potentiated a BMP-2-dependent phosphorylation of SMAD1/5/8, and demonstrated that FN/BMP-2-mediated early SMAD signaling depended on LIM kinase 2 and ROCK, rather than myosin II activation.We were also able to use this tool to investigate adhesion and spreading kinetics, changes in cytoskeletal organization depending on BMP-2 presentation mode, and reciprocal integrin-mediated signaling between the ECM and the cell. We were able to show preliminary results suggesting an effect of BMP-2 presentation mode on cellular forces, suggesting that growth factor presentation may be relevant to other cellular mechanisms like mechanotransduction.Altogether, our results show that FN/BMP-2 micropatterns are a useful tool to study the mechanisms underlying BMP-2-mediated mechanotransduction. More broadly, our approach could be adapted to other combinations of ECM proteins and growth factors, opening an exciting avenue to recreate tissue-specific niches in vitro.

La surface naturelle des prothèses, tels que des implants métalliques, n'est pas idéale pour l'obtention d'une bonne ostéo-intégration. Par conséquent, l'amélioration des propriétés de surface pour les rendre ostéo-condutrices ou ostéo-inductrices est souhaitable. La délivrance contrôlée de protéines ostéo-inductrices de la famille des bone morphogenetic proteins (BMPs) par la surface des matériaux implantables permettrait une formation osseuse optimisée et plus rapide autour de l'implant. En particulier, la BMP-2 est importante dans la phase initiale de la différenciation vers l'os. En raison de leur similarité avec les tissus naturels, l'utilisation des revêtements de biopolymères qui ont une bonne affinité avec les molécules bioactives, semble prometteuse pour le chargement et la délivrance de BMP-2. L'équipe a déjà mis au point un film à base des biopolymères hyaluronane et de poly(L-lysine), en utilisant la technique d'assemblage couche par couche. Ce film constitue un réservoir qui permet de présenter la BMP-2 "liée à la matrice". La bioactivité in vitro et les propriétés ostéo-inductrices in vivo de ces films ont déjà prouvées. Dans ce travail, nous avons cherché à mieux comprendre l'interaction de la BMP-2 avec le film et l'interaction des cellules avec la BMP-2. Tout d'abord, nous avons étudié la structure de la BMP-2 piégée dans les films et l'avons comparé à celle en solution; puis nous avons évalué l'impact du séchage, du stockage à long terme et de la stérilisation sur la structure du film et sa bioactivité. Enfin, nous avons étudié l'internalisation de la BMP-2 par les cellules en fonction de la réticulation du film et avons étudié la relation entre internalisation et voies de signalisation. / The natural surface of bulk prostheses materials, such as metallic implants, is not suitable for successful osteointegration of implants. Therefore, improving the surface to render it osteoconductive and osteoinductive is needed. The controlled delivery of osteoinductive bone morphogenetic proteins (BMPs) from the surface of implantable materials would enable faster and better bone formation around the implant. In particular, BMP-2 plays an important role in the early phase of differentiation of stems cells in bone cells. The coating of natural polymers that have a high affinity for BMP-2 would enable BMP retention and localized delivery at the implant surface. Using the layer-by-layer technique, we have developed a coating made of the biopolymers hyaluronan and poly(L-Lysine), which acts as a reservoir to trap BMP-2 and to present them to cells in a "matrix-bound" manner. The in vitro bioactivity and in vivo osteoinductive properties of BMP-2-loaded films have previously been proved. In this work, the aim is to further understand the interaction of the BMP-2 with the film and the uptake of BMP-2 by the cells. First, the secondary structure of matrix-bound BMP-2 was studied and compared to its structure in solution. Second, the impact of drying, long term storage and sterilization on film structure and bioactivity were assessed. Finally, we investigated if and how matrix-bound BMP-2 is internalized by the cells from the different cross-linked films, the internalization route and its relation to BMP-2 signaling.

L'organisme humain présente de nombreuses constantes de régénération tissulaires et c'est cette caractéristique essentielle qui maintient l'équilibre physiologique. Toutefois, l'existence de lésions importantes provoquée par un déséquilibre interne ou externe peut empêcher l'organisme de s'auto-régénerer. Dans ce cas, l'application des biomatériaux développés pour des applications biomédicales peuvent améliorer le processus de guérison. Pour les applications en tissus durs, les biomatériaux doivent posséder des propriétés similaires aux matrices naturelles tant sur le plan biologique que physico-mécanique. Dans les applications en bioingénierie osseuse, les composites à base de collagène (Col) et d'hydroxiapatite (HA) sont devenus tellement performant qu'ils peuvent être classifiés comme des matériaux biomimétiques. Cette thèse propose la production d'une matrice 3-D poreuse à base d'HA et de Col (50:50wt%). Ce composite réticulé par le glutaraldéhyde a été caractérisé par des différentes techniques et servira de support pour la culture cellulaire. Des cellules estromales ostéoprogénitrices ont été cultivées dans un environnement statique et dynamique (deux vitesse de flux) et leurs capacités de colonisation ainsi que leurs comportements d'adhésion, de prolifération, de différentiation seront observés. A travers les résultats de diffraction de rayons X et de spectroscopie infrarouge, il est possible d'affirmer la présence dans la matrice collagène d'une phase minérale peu cristalline constituée par de l'hydroxiapatite carbonatée du type-B déficiente en calcium. La viabilité cellulaire a été fortement influencée par les systèmes de culture au cours des 21 jours. Les résultats du système dynamique en haute vitesse montrent une excellente capacité du composite à supporter les processus cellulaires. Les cellules sont capables d'adhérer, de proliférer et de coloniser la matrice tridimensionnelle.

L’organisme humain présente de nombreuses constantes de régénération tissulaires et c’est cette caractéristique essentielle qui maintient l’équilibre physiologique. Toutefois, l’existence de lésions importantes provoquée par un déséquilibre interne ou externe peut empêcher l’organisme de s’auto-régénerer. Dans ce cas, l’application des biomatériaux développés pour des applications biomédicales peuvent améliorer le processus de guérison. Pour les applications en tissus durs, les biomatériaux doivent posséder des propriétés similaires aux matrices naturelles tant sur le plan biologique que physico-mécanique. Dans les applications en bioingénierie osseuse, les composites à base de collagène (Col) et d’hydroxiapatite (HA) sont devenus tellement performant qu’ils peuvent être classifiés comme des matériaux biomimétiques. Cette thèse propose la production d’une matrice 3-D poreuse à base d’HA et de Col (50:50wt%). Ce composite réticulé par le glutaraldéhyde a été caractérisé par des différentes techniques et servira de support pour la culture cellulaire. Des cellules estromales ostéoprogénitrices ont été cultivées dans un environnement statique et dynamique (deux vitesse de flux) et leurs capacités de colonisation ainsi que leurs comportements d’adhésion, de prolifération, de différentiation seront observés. A travers les résultats de diffraction de rayons X et de spectroscopie infrarouge, il est possible d’affirmer la présence dans la matrice collagène d’une phase minérale peu cristalline constituée par de l’hydroxiapatite carbonatée du type-B déficiente en calcium. La viabilité cellulaire a été fortement influencée par les systèmes de culture au cours des 21 jours. Les résultats du système dynamique en haute vitesse montrent une excellente capacité du composite à supporter les processus cellulaires. Les cellules sont capables d’adhérer, de proliférer et de coloniser la matrice tridimensionnelle. / The progress in Tissue Engineering area allows the development of biomaterials that mimic the properties of natural tissues. For biomedical applications in mineralized tissues, composites based on hydroxyapatite (HA) and collagen (Col) have presented good results when implanted in vivo. The aim of this work was to produce a 3-D matrix and to observe the cell behaviour when stromal cells are cultured in contact with HA-Col scaffold under static and dynamic conditions. For in vitro biological evaluation, osteoprogenitor human cells (Stro+1A cells) were grown and their colonization capacity and adhesion, proliferation and differentiation behaviour were quantified. Two perfusion flow rates (0,03ml/min and 0,3ml/min) were proposed for dynamic culture. The HA-Col composite was prepared by reorganization of Col fibrils simultaneously with HA crystal nucleation and precipitation from calcium and phosphate rich solutions. Afterwards, the composites were crosslinked and sterilized by gamma radiation. Stro+1A cells were inoculated (5x105 cells/sample) into the scaffolds and cultured over 21 days in a humid incubator at 37°C and 5% CO2. Infrared spectroscopy and X-ray diffraction results suggested a calcium-deficient hydroxyapatite as mineral phase. About cell culture, the cell number increased under higher flow rate dynamic culture. By scanning electron microscopy and histological sections, we observed cells adhered and spread inside colonized scaffolds.

Le sujet de cette thèse se situe dans le cadre général de la restauration du mouvement de membres paralysés à travers la stimulation électrique fonctionnelle (FES) implantée. L'objectif du projet était d'explorer la faisabilité d'utiliser les informations issues des fibres nerveuses sensorielles des récepteurs musculaires comme information de retour d'une commande en boucle fermée d'un système FES à travers des électrodes nerveuses périphériques intra fasciculaires. Des expérimentations animales aigues ont été réalisées pour mesurer les réponses afférentes des fuseaux neuromusculaires à des étirements passifs du muscle. Les enregistrements ont été réalisés en utilisant une nouvelle électrode Intra-fasciculaire (tfLIFE), développées par le Dr. Ken Yoshida à l'université d'Aalborg au Danemark. Un modèle du premier ordre de la réponse des fuseaux neuromusculaires à des étirements passifs a été proposé. Ce modèle prend en compte les propriétés non linéaires des activités neurales afférentes. De plus, l'estimation de l'état du muscle à partir d'un enregistrement ENG multicanaux a fourni des résultats plus robustes comparés à un enregistrement monocanal.<br />Pour que le modèle ci-dessus puisse être utilisé pour l'estimation de l'état du muscle, le taux de variation de la longueur du muscle pendant le mouvement doit avoir un effet négligeable sur les paramètres du modèle. Nous avons proposé dans cette thèse une approche pour la détection et la classification de pics dans l'enregisrement neural dans l'objectif d'isoler les activités neurales sensorielles des récepteurs musculaires ayant une sensibilité minimale à la vitesse de l'élongation musculaire. L'algorithme est basé sur la transformée en ondelettes continue multi-échelle utilisant des ondelettes complexes. Le système de détection utilise une simple détection par seuillage, couramment utilisée, particulièrement avec les enregistrements ayant un faible rapport signal sur bruit. Les résultats de classification des unités montrent que la classification développée est capable d'isoler l'activité ayant une relation linéaire avec la longueur du muscle. Ceci constitue une étape vers une estimation, en ligne basée modèle, de la longueur du muscle qui pourra être utilisée dans un système FES en boucle fermée utilisant des informations sensorielles naturelles.<br />Un des principaux problèmes limitant l'interprétation des données ENG est le faible niveau du signal neural par rapport à celui du bruit dans l'enregistrement. Nos hypothèses ont été que le blindage de l'implant aiderait à améliorer le rapport signal sur bruit. Des résultats expérimentaux, issus d'une étude préliminaire que nous avons réalisée, montrent que le placement d'électrodes standards à manchon placées autour du site d'implantation de la tfLIFE augmentait le niveau du signal ENG dans les enregistrements.