Toward the objective to create or to replace impaired tissues, it is essential to establish a culture process allowing tissue growth in vitro . The Petri dish culture or the traditional 2D culture has only a limited potential, mainly caused by a poor oxygen mass transfer to feed larger tissue constructs. In this project, an autonomous and complete bioprocess has been built to fullfill these needs. The developed reactor is versatile because many cell culture chamber designs can be connected to it. Two proportional-integral algorithms (PI) can control the dissolved oxygen concentration and the pH. The pressure, the temperature and mass flow rate are recorded in real time. An actuator allows mimicking the cardiac output flow. In this mémoire , it will be demonstrated how the reactor has been optimized to reduce the risk of bioburden. Also, the procedures to develop the control tools of the PI algorithm will be detailed. To characterize the reactor, a RTD study will be presented. To characterize the cell culture chamber, a permeability analysis using fluorescent microscopy and magnetic resonance imaging (MRI) will be exposed. Finally, two cell culture chamber designs to orient microvessel formation have been tested and these results will be presented.

L'ingénierie tissulaire représente une solution prometteuse pour la production de substituts osseux. L'utilisation de bioréacteurs à perfusion pour cultiver des cellules ostéo-compétentes sur des matrices poreuses, permet de résoudre les limitations dues au transfert de masse, et d'apporter des stimuli physiques améliorant la prolifération et la différenciation cellulaire. Malgré les récents et importants développements des bioréacteurs en ingénierie tissulaire, les mécanismes menant à la production de substituts osseux en bioréacteurs restent mal compris.Le but de cette thèse est d'améliorer la compréhension de l'influence des phénomènes de transport, sur la croissance cellulaire et tissulaire dans un bioréacteur à perfusion. Dans cet objectif, une approche combinant modélisation et expérimentation est proposée.Dans un premier temps, un cadre théorique rigoureux est développé afin d'étudier les propriétés de transport du bioréacteur. Etant donné la nature hiérarchique du système, l'aspect multi-échelle du problème doit être pris en compte. En se basant sur la méthode de prise de moyenne volumique avec fermeture, les processus de transport d'espèce et de quantité de mouvement sont homogénéisés à partir de l'échelle de la matrice extracellulaire, jusqu'à l'échelle du bioréacteur. Les propriétés effectives des différentes structures rencontrées sont évaluées, et l'influence des dépendances inter-échelles sont mises en valeur. Le model macroscopique obtenu inclus des termes non-conventionnels, dont les contributions sont évaluées pour les conditions de fonctionnement du bioréacteur.Dans un second temps, la prolifération cellulaire et la production de tissu sont étudiées d'un point de vue expérimentale et théorique. Premièrement, des cellules de type fibroblaste, sont cultivées jusqu'à trois semaines sur des billes de verre, dans un bioréacteur perfusé à 10mL/min. Un protocole combinant des techniques d'histologie et d'analyse d'image, permet de quantifier la croissance de cellules et de tissu en fonction du temps et de l'espace. Deuxièmement, une cinétique de production de tissu est introduite dans le modèle de transport multiéchelle développé plus tôt. Finalement, la résolution à l'échelle du bioréacteur permet de discuter les résultats expérimentaux et théoriques au regard des phénomènes de transport ayant lieux dans le bioréacteur à perfusion. / Tissue engineering represents a promising approach for the production of bone substitutes. The use of perfusion bioreactors for the culture of bone-forming cells on a three-dimensional porous scaffold material, resolves mass transport limitations and provides physical stimuli, increasing the overall proliferation and differentiation of cells. Despite the recent and important development of bioreactors for tissue engineering, the underlying mechanisms leading to the production of bone substitutes remain poorly understood. The aim of this thesis is to gain insight on the influence of transport phenomena, on cell and tissue growth within a perfusion bioreactor. To this purpose, a combined modeling and experimental approach is followed.To start with, a rigorous theoretical framework is developed in order to study the transport properties of the bioreactor. Given the hierarchical nature of the system, the multiscale aspect of the problem must be taken into account. Based on the volume averaging theory with closure, mass and momentum transport processes are upscaled from the extracellular matrix scale, to the bioreactor scale. The effective properties of the encountered structures are evaluated, and the influence of the interscale dependencies are emphasized. The resulting macroscopic model includes non-conventional terms, which contributions are evaluated in the case of the bioreactor culture conditions.Then, cell proliferation and tissue growth are studied both, from an experimental and modeling point of view. First, fibroblast cells are cultured on glass beads in a bioreactor, perfused with culture medium at 10mL/min, for up to three weeks. A protocol combining histological techniques and image analysis allows the quantification of cell and tissue growth as a function of space and time. Second, a theoretical tissue production kinetic is introduced in the multiscale transport model previously developed. Finally, the resolution at the bioreactor scale allows to discuss the theoretical and experimental results in regard to the transport phenomena taking place in the perfusion bioreactor.

Le suivi continu des substituts tissulaires en développement est crucial afin de comprendre leur évolution au fil du temps. Par contre, la tâche représente tout un défi quand vient le temps d'évaluer des échantillons de grande taille avec les techniques de microscopie. De plus, les méthodes de caractérisation les plus courantes sont fastidieuses et entraînent le sacrifice des cultures. Le développement d'approches de suivi in situ en temps réel, non invasives et non destructives, adaptées aux échantillons non transparents et de grandes tailles, est essentiel dans le domaine du génie tissulaire. Les techniques d'imagerie médicale peuvent répondre à ces besoins sans perturber ni interrompre les cultures en cours. L'hypoThèse de travail de cette Thèse était de démontrer la possibilité d'établir des méthodes d'imagerie in situ, non invasives, non destructives et en temps réel pour le suivi de la viabilité et du métabolisme de cultures tridimensionnelles (3D) de cellules endothéliales dans un gel de fibrine perfusé. Afin d'y arriver, une chambre de culture à perfusion munie de fibres creuses pour la croissance de cellules endothéliales à l'intérieur d'un gel de fibrine a d'abord été conçue. Ensuite, un bioréacteur pulsatif à perfusion apte à assurer la survie et la croissance de cultures 3D in vitro pour le génie tissulaire a été développé et validé. Dans un second temps, les protocoles d'imagerie par tomographie d'émission par positrons (TEP) n'étant pas adaptés aux systèmes de bioréacteurs, il a fallu en développer et valider un en utilisant un radiotraceur bien connu : le [indice supérieur 18]F-fluorodésoxyglucose ([indice supérieur 18]FDG) qui est un marqueur capable de détecter le métabolisme cellulaire. L'imagerie au [indice supérieur 18]FDG d'un bioréacteur permet d'évaluer la perfusion de la culture, de contrôler sa viabilité ainsi que d'estimer la densité cellulaire et le positionnement des structures tissulaires émergentes. Ainsi, les conditions optimales favorisant sa capture par les cellules ont été déterminées au préalable sur des monocouches afin d'optimiser le signal TEP correspondant. Enfin, les paramètres actifs identifiés précédemment ont été mis en application pour le suivi de cultures 3D où les densités cellulaires ont pu être estimées après seulement 12 heures de culture et des structures émergentes décelées dans les gels de fibrine au bout d'une à deux semaines. L'imagerie TEP au FDG est une approche très prometteuse pour effectuer le suivi non destructif de cultures tridimensionnelles en génie tissulaire et pour comprendre l'évolution des tissus en croissance in vitro.

La transplantation d’îlots pancréatiques offre un traitement potentielle pour le diabète de type 1 (T1DM). À ce jour, le succès mitigé de ce type de greffe est dû à plusieurs facteurs limitants comme le manque de revascularisation, la perte de la matrice extracellulaire (ECM) et le rejet par le système immunitaire du receveur. Dans les dernières années, l’utilisation de matrices tridimensionnelles (3D) et de bioréacteurs a amélioré le processus de transplantation et approfondi les connaissances sur le sujet. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les effets des paramètres physiologiques (flux, concentration en oxygène dissous (D.O.) et pulsation) sur le tissu pancréatique dans un environnement 3D en utilisant un bioréacteur à perfusion. Le premier chapitre présente une revue de la littérature détaillant le pancréas, les maladies qui lui sont associées ainsi que les techniques permettant son étude in vitro et in vivo. L’utilisation de matrices 3D en recherche sur le diabète est discutée en profondeur tout en mettant l’emphase sur l’incorporation de molécules de la ECM. La revue souligne comment des matrices 3D testées en combinaison avec différents bioréacteurs ont permis de mieux comprendre et améliorer la culture de cellules pancréatiques. Une brève conclusion met en lumière les applications futures des bioréacteurs dans la recherche sur le diabète. La première étude de cette thèse traite de la culture de cellules de rat provenant d’insulinome (INS-1), encapsulées dans des matrices de fibrine en chambres de perfusion et cultivées dans un bioréacteur à perfusion. Un essai in situ de sécrétion d’insuline stimulée par le glucose fut développé pour comprendre les effets de la culture. Dans cette expérience, les effets bénéfiques des conditions contrôlées en bioréacteur à perfusion ont été démontrés et ont révélé une augmentation de l`indice de stimulation des cellules INS-1 avec le temps, une amélioration de la fonction GRIP, en plus d’une incidence moins élevée d’apoptose cellulaire en comparaison avec des témoins en culture statique, sans bioréacteur. Cette étude a été publiée dans la revue Biotechnology Progress. La deuxième étude décrit un design multifactoriel servant à l’identification des paramètres affectant des pancréas de rat dissociés mécaniquement, cultivés dans un bioréacteur à perfusion. Les effets uniques et combinés du flux, de la D.O. et de la pulsation ont été étudiés sur la culture de tissu pancréatique. Les conditions bénéfiques pour la culture en bioréacteur ont été identifiées. Le tissu pancréatique cultivé dans ces conditions bénéfiques a démontré une sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, une plus grande activité métabolique, une coloration positive à l’insuline et au glucagon, des structures endothéliales multiples ainsi qu’un tissu plus intact en comparaison avec des cultures statiques cultivées en mode statique. Cette étude a été soumise à Biotechnology Progress. / Abstract : Transplantation of pancreatic islets offers a potential cure for type 1 diabetes mellitus (T1DM). To date, the success of such a graft has been mired by a number of limiting factors including lack of revascularisation, loss of native extracellular matrix (ECM), and graft rejection by the recipient’s immune system. In recent years, new ways to understand and improve this process have been explored using three-dimensional (3D) matrices and bioreactors. This thesis aims to further understand the important effect(s) physiological parameters (flow, dissolved oxygen concentration (D.O.) and pulsation) have on pancreatic tissue in a 3D environment using a perfusion bioreactor with defined geometries. The first chapter introduces a review of the literature detailing the native pancreas, its diseases, and how it is studied in vivo and in vitro. The use of 3D matrices in diabetes research is discussed with particular emphasis on the incorporation of ECM molecules. The review then highlights how 3D matrices have been used in combination with a host of different bioreactors to understand and improve pancreatic cell cultures. A brief conclusion about the future applications for the use of bioreactors in diabetes research is also discussed. The first experimental work comprises the culture of rat insulinoma cells (INS-1) encapsulated in fibrin matrices in perfusion chambers and cultured under perfusion bioreactor conditions. An in situ glucose-stimulated insulin secretion assay was then developed to monitor the culture over time. With this work, the beneficial effects of perfusion bioreactor conditions were shown and revealed increasing functionality (glucose-stimulated insulin secretion) of INS-1 cells over time, and a lower incidence of apoptosis when compared to static control cultures. This study was published in Biotechnology Progress. The second experimental work used a factorial design to identify process parameters affecting whole mechanically-disrupted rat pancreata in a perfusion bioreactor. Here, the singular and combinational effects of flow, dissolved oxygen concentration and pulsation were assessed on the outcome of pancreatic tissue. Beneficial bioreactor conditions were identified. Mechanically-disrupted rat pancreata cultured under these beneficial bioreactor conditions showed glucose-stimulated insulin secretion, higher metabolic activity, insulin- and glucagon-positive staining, extensive endothelial structures, and overall intact tissue when compared to static cultures. This study has been submitted to Biotechnology Progress.

L'ingénierie tissulaire intervient pour restaurer le tissu osseux. Parmi les traitements possibles, l'utilisation d'un bioréacteur à perfusion permet l'amplification in vitro de cellules souches ou osseuses prélevées chez le patient avant réimplantation. La contrainte de cisaillement générée par l'écoulement stimule mécaniquement les cellules et amplifie la production tissulaire. Cette technique souffre cependant de sa conception empirique et doit à présent être optimisée. L'objectif de cette thèse est l'étude et la modélisation de la croissance tissulaire et de la prolifération cellulaire à l'échelle du bioréacteur. En particulier, il s'agit de comprendre l'impact de l'écoulement sur la formation du tissu. Pour cela, une double approche de modélisation et d'expérimentation a été adoptée. Des expériences de culture cellulaire ont permis de mettre au jour la prolifération préférentielle des cellules près des parois du bioréacteur comme conséquence de l'hétérogénéité du support, et l'évolution de la morphologie du tissu. Un modèle prédisant le devenir des cellules ainsi que la croissance tissulaire à l'échelle du bioréacteur est proposé. L'aspect multi-échelles du problème est pris en considération et les procédures d'homogénéisation sont menées à bien grâce à la méthode de prise de moyenne volumique. / Bone tissue engineering aims at restoring bone tissues. Among the possible treatments, the use of a perfusion bioreactor allows the amplification in vitro of the patient bone or stem cells prior to implantation. The advantage of using such bioreactors is two-fold: in addition to greatly improving species transport, tissue production is enhanced. Although promising, this technique suffers from its empirical conception and now needs to be optimized. The purpose of this thesis is to study and model tissue growth and cell proliferation under a fluid flow of culture medium at the scale of the bioreactor. In particular, we wish to understand the impact of fluid flow on tissue formation. To this end, a double approach of experimentation and modeling has been adopted. Cell culture experiments in a perfusion bioreactor highlighted the preferential cell proliferation in the parietal region as a consequence of the heterogeneity of the scaffold, and the evolution of the tissue morphology. A model for predicting the cell's fate along with tissue growth at the scale of the bioreactor is proposed. The hierarchy of the system is considered and the upscaling procedures are carried out with the Volume Averaging Method.