L’ingénierie tissulaire osseuse a récemment connu de nouveaux développements grâce à la prise en compte du phénomène de mécanotransduction dans la conception des bioréacteurs. Toutefois, des progrès restent à faire sur nos connaissances sur les mécanismes de la réponse des cellules souches mésenchymateuses (CSM) aux contraintes mécaniques en vue d’optimiser l’environnement mécanique tridimensionnel des cellules dans les bioréacteurs. L’objectif de cette thèse est double : déterminer le meilleur microenvironnement mécanique pour des CSM humaines et appliquer cet environnement au sein d’un bioréacteur. Pour cela, des CSM humaines ont été cultivées dans différentes conditions et soumises à des contraintes mécaniques. Leur réponse a été analysée via des marqueurs précoces de l’ostéogénèse. En parallèle, un modèle numérique a été développé pour simuler l’écoulement dans un bioréacteur à scaffold granulaire et déterminer le niveau et la répartition des contraintes ressentis par les cellules. Il a été mis en évidence que la réponse des cellules à une stimulation mécanique dépend très fortement de son environnement tridimensionnel. Ce travail à la fois mécanique et biologique permet de dégager des pistes d’amélioration des bioréacteurs et des scaffolds en vue de l’optimisation de l’environnement mécanique tridimensionnel des cellules en ingénierie tissulaire osseuse. / Bone tissue engineering is currently in full development and a growing field of research. The consideration of the mechanotransduction process is a key factor in the optimization of bioreactors. Mesenchymal stem cells (MSC) used in bone tissue engineering are known to be mechanosensitive but our knowledge of the mechanisms of cell response to mechanical stress needs to be improved. This thesis has a double goal: determining the best possible mechanical microenvironment for human MSC, and apply this environment in a bioreactor. To that aim, human MSC were grown in different conditions and subjected to mechanical stresses. Their response was analyzed through osteogenesis markers. A numerical model was also implemented to simulate the flow in bioreactor with a granular scaffold and evaluate levels and distributions of stresses felt by cells. It was shown that cell response to mechanical stress is strongly dependent on the tridimensional environment. This biological and mechanical study highlights tracks of improvement for bioreactors and scaffolds to optimize the mechanical tridimensional environment of cells in bone tissue engineering.

Abstract Bone tissue engineering has become a rapidly expanding research area because it offers a promising new approach for bone repair and regeneration. Compared to traditional autograft and allograft procedures, bone tissue engineering techniques based on the use of scaffolding materials in combination with autogenous stem cells can eliminate problems of donor site morbidity associated with the harvest of bone tissue, and its short supply. Clearly, the choices of material as well as a scaffold design that enhance bone regeneration are major challenges in the tissue engineering approach. Fibers in the micro-range in combination with textile-based technologies are consider as potential routes for the production of complex scaffolds since they can be used to generate a wide range of morphological structures and geometrically varied structures with high precision. Therefore in this thesis the specific objects were to: (i) develop a biocompatible composite fiber from poly(lactic acid) (PLA) and hydroxyapatite (HA) by melt spinning, (ii) design a 3D textile scaffold utilizing weaving and (iii) evaluate the scaffolds’ performance as a bone substitute material in vitro. In the present study PLA/HA composite fibers were successfully produced, and found to possess sufficient mechanical strength even at high loading concentrations (i.e. 20wt %), to be useful in a textile process. In addition, the material was shown to be biocompatible and the presence of HA in the PLA composite significantly enhanced the initial cell attachment. In a 3D woven scaffold, bone marrow derived human mesenchymal stem cells (hMSCs) differentiated into osteoblasts and mineralized bone formation in vitro was observed through-the-thickness of the scaffold. Taken together, these results indicate the potential feasibility of PLA/HA composite fiber in a 3D woven scaffold for use as a bone substitute material in tissue engineering applications. / Tiivistelmä Luupuutosten korvaaminen kudosteknologisesti on kehittynyt nopeasti ja tutkimustulokset tarjoavat lupaavia mahdollisuuksia tuottaa uutta luuta luupuutosalueelle. Perinteisiin potilaan omasta luusta tehtyihin luusiirteisiin ja pankkiluusiirteisiin verrattuna potilaan omat kantasolut voivat vähentää ongelmia, joita ovat siirremateriaalin rajallinen saatavuus ja vieraan kudoksen aiheuttamat reaktiot. On tärkeä etsiä hyviä materiaaleja, joista voidaan valmistaa sellaisia kolmiulotteisia (3D) rakenteita, joilla tehostetaan luun paranemista ja uuden luun muodostumista. Kutomalla tuotetut tukirakenteet mahdollistavat kantasolusiirteille kolmiulotteisuuden, jota voidaan säädellä monipuolisesti ja tarkasti. Tämän väitöstutkimuksen tarkoituksena oli: (i) kehittää bioyhteensopiva kuitu maitohappopolymeeristä poly lactic acid (PLA) ja hydroksiapatiitista (HA) kuituekstruusiolla, (ii) suunnitella ja kutoa tästä kuidusta 3D tekstiilirakenne, ja (iii) tutkia sen toimivuus ja ominaisuudet luunmuodostusta tukevana materiaalina soluviljelyolosuhteissa. Tämä tutkimus osoittaa, että PLA kuitua voidaan seostaa hydroksiapatiitilla, ja PLA/HA kuidut ovat mekaanisesti kestäviä sisältäessään jopa 20 painoprosenttia hydroksiapatiittia. Siten kuidut ovat tekstiilin valmistuksessa käyttökelpoisia. Lisäksi materiaali osoittautui bioyhteensopivaksi, ja hydroksiapatiitti paransi solujen tarttumista PLA kuituun viljelyn alkuvaiheessa. Ihmisen luuytimestä peräisin olevat sidekudoksen kantasolut (hMSCs) erilaistuivat soluviljelmässä luuta muodostaviksi soluiksi eli osteoblasteiksi, ja tuottivat mineralisoitunutta luun väliainetta kautta koko kudotun tukirakenteen. Johtopäätöksenä on, että PLA/HA yhdistelmäkuitua voidaan kutoa kolmiulotteiseksi tukirakenteeksi, ja sitä on mahdollista käyttää apuna korvattaessa luupuutoksia kudosteknologian keinoin.

L’ingénierie du tissu osseux est un domaine qui représente un enjeu majeur dans le cadre de la médecine régénératrice. Trois composants sont généralement décrits dans le cadre de l’ingénierie tissulaire : un biomatériau pour pallier le volume de tissu défectueux, une source de cellules progénitrices qui seront responsables de la synthèse des composants tissulaires ainsi que des facteurs de croissance ou des signaux issus des propriétés physico-chimiques du biomatériau afin de guider la prolifération et la différenciation cellulaire. Le but de cette étude a été de synthétiser des substrats phospho-calciques à l’aide de la technique de pulvérisation simultanée d’espèces réactives et de caractériser les différentes propriétés physico-chimiques des substrats obtenus. Nous avons pu démontrer la possibilité d’inclure des molécules organiques (chitosane et acide hyaluronique) à la phase minérale avec cette technique. Nous avons aussi montré la possibilité de faire varier des propriétés telles la rugosité (entre 300 et 700 nm), l’élasticité (entre 2 à 6 GPa), la composition chimique (phosphate octacalcique ou phosphate dicalcique dihydraté) et la bioactivité (précipitation des phosphates de calcium à la surface des substrats) avec la technique de pulvérisation. Par ailleurs, des cellules souches issues de la gelée de Wharton de cordons ombilicaux humains ont été isolées, puis caractérisées sur le plan génique et protéique. Ces cellules étant candidates pour l’utilisation en ingénierie tissulaire osseuse, nous nous sommes intéressés à plusieurs types de marqueurs dont les marqueurs mésenchymateux et les cytokines immuno-modulatrices.La dernière partie de cette thèse a concerné l’association des cellules souches isolées à partir de la gelée de Wharton aux substrats phospho-calciques obtenus à l’aide de la technique de pulvérisation. Nous avons pu démontrer que les cellules adhéraient sur ces substrats et s’organisaient en structures nodulaires au sein desquelles a été observée une couche de cellules sécrétrices entourant des fibres de collagène, des formations cristallines faîtes de phosphates de calcium et des cellules dont la morphologie rappelait celle des ostéocytes. Des variations dans l’expression de marqueurs ostéoblastiques ont aussi été observées, et ce en l’absence de facteurs solubles ostéogéniques dans le milieu de culture. En conclusion, les substrats phospho-calciques obtenus avec la technique de pulvérisation sont capables d’induire la différenciation de cellules souches issues du cordon ombilical en ostéoblastes. Ce modèle se révèle être prometteur pour la mise en place de thérapies en vue de la régénération du tissu osseux. / Bone tissue engineering is a major issue within regenerative medicine. There are three main components in the field of tissue engineering: a scaffold providing a structure for tissue development, a source of stem cells for tissue formation and growth factors or physical stimuli from the biomaterial to direct growth and differentiation of cells. The purpose of this study was to synthesize calcium phosphate substrates by simultaneous spraying of interacting species and to carry out the physico-chemical characterization of the built substrates. We showed that the spraying technique allows the inclusion of organic molecules such as chitosan and hyaluronic acid. The spraying technique allows several physio-chemical characteristics to be varied, rugosity (300 – 700 nm), elasticity (2 – 6 GPa), chemical composition (octacalcium phosphate or dicalcium phosphate dehydrate), but also studied the bioactivity of the substrates (calcium phosphate from the culture medium precipitates at thesurface of the substrates). In another hand, our aim was to isolate stem cells from human umbilical cords’ Wharton’s Jelly and to carry out their genic and proteic characterization by focusing on mesenchymal markers and immunomodulating cytokines, knowing that these cells are candidates for a use in bone regeneration therapy.The last purpose of our study was to evaluate the potential of Wharton’s jelly stem cells to adhere and proliferate onto the sprayed substrates, and also the formation of nodules. The ultrastructural analysis of nodules formed by Wharton’s jelly stem cells showed a layer of secretory cells surrounding collagen fibers, calcium phosphate crystals and cells with a similar morphology to that of osteocytes. Osteoblastic markers appeared to be regulated in cells cultured without osteogenic supplements. To conclude, sprayed calcium phosphate substrates seem to induce osteoblastic differentiation of Wharton’s jelly stem cells through the substrate’s physico-chemical properties. Our model appears as promising for further bone regenerative therapies.

La culture cellulaire traditionnelle en deux dimensions (2D) ne peut pas reproduire les propriétés des tissus observées dans des organes en trois dimensions (3D). Ces tissus, en particulier les tissus de soutien comme l'os, sont soumis à des contraintes mécaniques, facteurs majeurs de régulation des interactions cellulaires et cellules/matrices. Il y a donc un intérêt croissant pour les modèles 3D, afin de mieux comprendre les différents aspects du fonctionnement cellulaire et du remodelage osseux, dans des systèmes de moindre complexité que les modèles in vivo. Nous nous sommes intéressés ici aux cellules ostéoblastiques et à une de leur protéine matricielle, la sialoprotéine osseuse (BSP). La BSP appartient à la famille des "small integrin-binding ligand N-linked glycoproteins" (SIBLING), impliquées dans le développement, le remodelage et la minéralisation de l’os, et répondant rapidement à la contrainte mécanique. Notre objectif était d’analyser l’impact de cette protéine sur la différenciation ostéoblastique et l’ostéogénèse in vitro à partir de cellules de calvaria de souris présentant une extinction génique de la BSP (BSP-/-) cultivées en 2D et en 3D. Nous avons montré que les cellules BSP-/- présentaient un défaut de formation osseuse et de minéralisation qui est dépendant de la densité cellulaire. Puis nous avons développé et validé un bioréacteur perfusé et stimulable mécaniquement via le système ZetOsTM. Les premiers résultats obtenus avec cet outil contrôlé montrent que l’environnement 3D améliore la différenciation des cellules BSP-/-. Ces travaux restent à développer, notamment pour analyser l’effet des contraintes mécaniques sur ces cellules / Traditional (2D) cell culture cannot reproduce the tissue properties observed in 3 dimensional organs (3D). Weight-bearing organs such as bone are subjected to mechanical stresses, which are major regulating factors for cell and cell/matrix interactions. There is thus a growing interest in 3D culture models, in order to better understand the different aspects of cell function and bone remodeling in systems less complex than in vivo models. We are interested here in the osteoblastic cells and in one of their matrix proteins, the bone sialoprotein (BSP). BSP belongs to the family of the "small integrin -binding ligand N -linked glycoproteins" (SIBLING), involved in the development, remodeling and mineralization of bone, and responding quickly to mechanical stress. Our goal in this work was to analyze the impact of the absence of this protein on osteoblast differentiation and bone formation in vitro from mouse calvarial cells (MCC) with a gene knockout of BSP (BSP-/-), grown in 2D and 3D. We have shown that BSP-/- cells have a defect in bone formation and mineralization which is cell density dependent. We have developed and validated a perfused bioreactor able to apply mechanical stress to culture scaffolds via the ZetOsTM system. Our first results with this powerful tool show that a 3D environment improves BSP-/- cells differentiation. This work remains to be developed, in particular to analyze the effects of mechanical stress on these cells

L’ingénierie tissulaire osseuse a pour objectif de repousser les limitesexistantes de la régénération osseuse. Les stratégies proposées consistent àassocier à une matrice tridimensionnelle (3D) des cellules autologues, capables derégénérer en 3D un tissu fonctionnel. Le but de ce travail a été d’étudier l’importancede la communication cellulaire entre les cellules du compartiment stromal et lescellules endothéliales au sein d’une matrice tridimensionnelle poreuse constituée depolysaccharides naturels biodégradables. Nos résultats montrent que l’architecture etla nature de cette matrice permettent de guider la différenciation ostéoblastique descellules humaines mésenchymateuses issues de la moelle osseuse. L’organisationcellulaire en agrégats observée stimule les interactions cellulaires, et plusparticulièrement la formation de jonctions communicantes de type GAP et l’activitédes Connexines 43. Nous avons en également étudié la fonction des Pannexines 1et 3 dans la culture 3D. En conclusion, l’ensemble de nos travaux démontre que lesinteractions cellule-cellule constituent des événements majeurs dans cesmécanismes de régénération tissulaire. Les données cellulaires et expérimentalestémoignent de l’intérêt d’utiliser la totalité de la suspension de moelle osseuse pourfavoriser à la fois l’ostéoformation et la vascularisation du tissu. / Bone tissue engineering aims to resolve the existing limitations of boneregeneration methods. One of the proposed strategies consists on the association,within a three-dimensional (3D) matrix, with autologous cells able to regenerate afunctional 3D tissue. The purpose of this study was therefore to investigate theimpact of cellular communication, between cells of the stromal compartment andendothelial cells, within the three-dimensional porous matrix made of biodegradablenatural polysaccharides, focusing on bone repair. Our results show that thearchitecture and the nature of the 3D macroporous matrix promotes the guidance ofmesenchymal stems cells, derived from human bone marrow, towards theosteoblastic lineage. Also, that the organization in aggregates, promoted by the 3Dmatrices, stimulated cell communication, evidenced by the formation of GAPjunctions and activity of Connexins 43. We also focused on the function ofPannexines 1 and 3 for the 3D culture in these matrices of polysaccharides. Inconclusion, this work shows that cell-cell interactions play a major role in order toimprove bone tissue regeneration. Also, cellular and experimental data demonstratesthe advantage of using a total fraction of bone marrow cells to promote both boneformation and vascularization.

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Bone is a remarkable multifunctional tissue with the ability to regenerate and remodel without generating any scar tissue. However, bone loss due to injury or diseases can be a great challenge and affect the patient significantly. Autologous bone grafting is commonly used throughout the world. Autograft both fills the void and is bone inductive, housing the particular cells that are needed for bone regeneration. However, a regenerative complement to autograft is of great interest as the use of biomaterials loaded with bioactive molecules can avoid donor site morbidity and the problem of a limited volume of material. Two such regenerative products that utilise bone morphogenetic protein (BMP)-7 and -2 have been used for more than a decade clinically. Unfortunately, several side effects have been reported, such as severe swelling due to inflammation and ectopic bone formation. Additionally, the products require open surgery and use of supra physiological doses of the BMPs due to poor localisation and retention of the growth factor. The purpose of this thesis was to harness the strong inductive capacity of the BMP-2 by optimising the carrier of this bioactive protein, thereby minimising the side effects that are associated with the clinical products and facilitating safe and localised bone regeneration. We focused on an injectable hyaluronan-based carrier developed through polymer chemistry at the University of Uppsala. The strategy was to use the body’s own regenerative pathway to stimulate and enhance bone healing in a manner similar to the natural bone-healing process. The hyaluronan-based carrier has a similar composition to the natural extracellular matrix and is degraded by resident enzymes. Earlier studies have shown improved properties when adding hydroxyapatite, a calcium phosphate that constitutes the inorganic part of the bone matrix. In Paper I, the aim was to improve the carrier by adding other forms of calcium phosphate. The results indicated that bone formation was enhanced when using nano-sized hydroxyapatite. In Paper II, we discovered the importance of crushing the material, thus enhancing permeability and enlarging the surface area. We wished to further develop the carrier system, but were lacking an animal model with relatively high throughput, facilitated access, paired data, and we were also committed to the 3Rs of refinement, reduction, and replacement. To meet these challenges, we developed and refined an animal model, and this is described in Paper III. In Paper IV, we sought to further optimise the biomaterial properties of the hydrogel through covalent bonding of bisphosphonates to the hyaluronan hydrogel. This resulted in exceptional retention of the growth factor BMP-2. In Paper V, SPECT/PET/µCT was combined as a tri-modal imaging method to allow visualisation of the biomaterial’s in situ action, in terms of drug retention, osteoblast activity and mineralisation. Finally, in Paper VI the correlation between existing in vitro results with in vivo outcomes was observed for an array of biomaterials. The study identified a surprisingly poor correlation between in vitro and in vivo assessment of biomaterials for osteogenesis.