Les cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) sont des cellules capables à la fois d'autorenouvellement et de se différencier en tous les types cellulaires. Elles peuvent être issues de l'embryon (pour cellules souches embryonnaires humaines, hESC) ou être obtenues par reprogrammation d'une cellule différenciée (pour cellules souches pluripotentes induites humaines, hiPSC). Les hPSC sont au centre d'enjeux scientifiques, médicaux et économiques majeurs, en particulier dans le cadre des maladies génétiques et orphelines. En effet, elles ouvrent la porte à de nouvelles stratégies de modélisation de maladies génétiques humaines in vitro et sont une source potentiellement illimitée de cellules pour une thérapie cellulaire des maladies dégénératives. Cependant, la culture in vitro de hPSC est une étape essentielle avant toute application clinique ou recherche fondamentale. En effet, la culture cellulaire est nécessaire pour l'amplification du nombre des cellules, et est nécessaire pour toute étape de différenciation in vitro. Or c'est une étape délicate pour le succès des applications visées. Mon travail de doctorat s'est focalisé sur deux aspects de la culture des hPSC. Dans un premier temps, j'ai modélisé in vitro une voie de différenciation, le développement trophoblastique humain, en modulant les paramètres de la condition de culture, notamment en jouant sur la concentration du facteur de croissance BMP4. Ce travail m'a permis d'élucider la toute première bifurcation de différenciation cellulaire au cours du développement embryonnaire humain précoce. Dans un second temps, mon travail s'est focalisé sur le changement phénotypique et génomique des hPSC au cours de la culture in vitro. J'ai montré que l'utilisation de certains protocoles de passage cellulaire – en particulier le passage par dissociation cellulaire complète par utilisation de trypsine - se traduit par des acquisitions très précoces d'anomalies génétiques chromosomiques et sub-chromosomiques, et que des anomalies sub-chromosomiques pouvaient précéder l'apparition d'anomalies chromosomiques. Les conséquences de ces observations sont importante pour la recherche de la culture de hPSC : (1) il faut définitivement renoncer à l'utilisation des passages par dissociation cellulaire complète, y compris pour les méthodes de culture en suspension, et (2) il faut, pour valider une technique de culture, compléter systématiquement le caryotype par un examen d'analyse génétique avec une meilleure résolution. / Human pluripotent stem cells (hPSC) are the stem cells capable to self-renew and also to differentiate into all the cell types. These cells can be derived from embryos (for human embryonic stem cells, hESC) but also be obtained by reprogramming the differentiated somatic cells (for human induced pluripotent cells, hiPSC). The hPSC become central stakes of science, medicine and economy, particularly for genetic and rare diseases. In fact, they open up the new perspectives to the novel treatment strategies by remodeling human genetic diseases in vitro and at the same time they are a potentially unlimited cell source for cell therapy for especially degenerative diseases. Meanwhile, the hPSC in vitro culture is one of the most important steps before passing to the clinic applications and in fundamental research, as the proliferation and pluripotency can only be maintained in culture condition as well as many differentiation methods. My PhD work was concentrated on the hPSC in vitro culture. At first, I modeled human trophoblastic development and its differentiation pathway in vitro by modulating the parameters of culture, especially the concentration of BMP4. This work permitted clarifying the first cell lineage bifurcation in early human embryonic development. Secondly, my word was focalized on the phenotypic and genomic changes of hPSC during the in vitro culture. I demonstrated that the use of some passaging protocols in culture, particularly complete cell dissociation by trypsin, was translated by very early acquisitions of chromosomal and sub-chromosomal abnormalities, and that the appearance of sub-chromosomal abnormalities could precede chromosomal abnormalities. The consequences of these observations are important for the hPSC culture research: (1) the use of complete cell-dissociation passaging should be definitively abandoned, including the suspension culture, and (2) the genetic analyses with higher resolution should be added to validate a culture technic.

Les cellules souches pluripotentes (CSP) humaines sont devenues en quelques années des modèles de choix pour étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires qui gouvernent l'apparition de maladies monogéniques, mais également pour le développement de criblages à haut débits afin d'identifier parmi plusieurs milliers de molécules chimiques celles qui ont un potentiel thérapeutique. C'est dans ce contexte de criblage que mes travaux de thèse s'inscrivent, alliant automatisation et miniaturisation de la biologie des CSP dans le cadre de deux maladies monogéniques, l'amyotrophie spinale infantile (SMA) et la dystrophie myotonique de type I (DM1). De manière générale, la mise en place d'une telle stratégie repose sur trois étapes essentielles qui sont l'obtention de CSP porteuses d'une mutation donnée, l'identification d'un modèle d'étude pertinent et la réalisation du criblage à proprement parlé. L'obtention de CSP humaines repose sur deux approches principales. La première consiste en la dérivation de cellules embryonnaires humaine (hES) issues de diagnostiques préimplantatoires et la seconde repose sur la reprogrammation de cellules somatiques par l'induction de pluripotence (iPS). Une partie de mon travail a consisté en la création de cellules iPS modèles de la SMA et leur caractérisation par une approche à haut débit. Par la suite un travail d'optimisation du protocole de génération de motoneurones à partir de CSP humaines a permis d'accélérer et augmenter les rendements de production de ces cellules qui sont principalement affectées dans la SMA. Enfin, l'utilisation de cellules hES porteuses de la mutation causale de la DM1 a permis le criblage de 12000 molécules et a conduit à l'identification d'une famille chimique capable de restaurer plusieurs défauts typiques de cette maladie tels que des défauts d'épissage et de fusion moléculaire. / For only few years, Human pluripotent stem cells (PSC) have become wide spread models in order to study and decipher cellular or molecular mechanims involved in monogenic diseases, but also for the development of large scale screening strategies allowing the identification of new therapeutics among thousands of chemicals. Mythesis research aimed at the development of such strategies, miniaturizing and automating PSC biology within the framework of two monogenic diseases, namely spinal muscular atrophy (SMA) and myotonic dystrophy type 1 (DM1).Basically, PSC based screening programs are generally built around three main steps which are the access to a stem cell model, the identification of a relevant cell type and lastly the screening campaign. There is actually two main ways to generate human PSC. Firstly, human embryonic stem cells (hES) can be derived from the inner cell mass of blastocyte through a pre-implantation diagnosis and secondly, induced pluripotent stem cells (iPS) can be generated after somatic cell reprogramming in vitro. A part of my work has consisted in the generation of hiPS cellular models for SMA by reprogramming fibroplasts that carried SMN1 gene deletion, followed bay the characterization of several dozen of independant clones with high throughput. Then an optimization process of the protocol for the generation of Motoneuron from PSC has been done multiplying experimental conditions. This finally allowed the description of a fast and efficient protocol to generate the most affected cell type in SMA. Finally, DM1 mutated hES were uded for the screening of 12.000 compounds among which a chemical family has been identified to rescue DM1 typical splicing and myogenesis defects.

La thérapie cellulaire se positionne comme une stratégie prometteuse pour inciter le cœur infarci à se régénérer. A cet effet, des études récentes placent des espoirs considérables dans l’utilisation des cellules souches embryonnaires et notre laboratoire a déjà démontré comment les différencier en progéniteurs cardiovasculaires, un type de précurseurs cellulaires qui ne peut aboutir qu’à la formation de cardiomyocytes, de cellules endothéliales ou de cellules de muscles lisses. Cet engagement précoce réduit leur capacité de prolifération anarchique et en même temps leur permet de rester suffisamment plastiques pour éventuellement s’intégrer plus facilement avec le tissue hôte. Cependant, les études précliniques et cliniques d’injection de ces cellules s’avérèrent décevantes. Malgré de légères améliorations de la fonction cardiaque, on observa une trop faible survie cellulaire ainsi qu’un taux de rétention des cellules dans le myocarde remarquablement bas. Afin d’étudier ce problème, mes travaux de thèse ont porté non seulement sur la conception de nouveaux biomatériaux pouvant servir de moyen de transport et d’intégration des cellules dans la zone infarcie, mais aussi sur la conception de biomatériaux permettant de contrôler précisément l’environnement cellulaire au cours du processus de différenciation de cellules souches pluripotentes humaines en cardiomyocytes. Grâce aux importantes interactions entre nos laboratoires de recherche fondamentale et de recherche clinique, nous avons tout d’abord développé de nouvelles techniques de fabrication et de caractérisation de patches de fibrine cellularisés qui sont récemment entrés dans un essai clinique de phase I. A partir de cette formulation clinique approuvée par les autorités de régulation, nous avons élaboré toute une gamme de matériaux composites uniquement à base de matières premières pertinentes dans ce cadre clinique, dans le but d’améliorer la maturation des progéniteurs cardiovasculaires une fois greffés sur le cœur défaillant. Dans cette optique, nous avons également développé un modèle in vitro permettant d’étudier précisément l’influence combinée de la rigidité du substrat et du confinement spatial sur la différenciation des cellules souches en cardiomyocytes. Grâce à des techniques de microfabrication sur substrat mou, il a été possible de positionner précisément les cellules souches pluripotentes dans des espaces restreints d’élasticité variable. Ainsi, nous avons pu observer que même en utilisant des protocoles chimiques éprouvés basés sur la modulation de cascades de signalisation impliquées dans le développement cardiaque, une très forte hétérogénéité pouvait apparaître en fonction de l’environnement physique des cellules. Nous avons ainsi pu extraire les caractéristiques principales permettant une différenciation cardiaque efficace, reproductible et standardisée et les avons appliquées à la fabrication d’une nouvelle génération de patches composés de matériaux cliniques et de couches multiples de bandes synchrones de cardiomyocytes. De fait, ces travaux ouvrent de nouvelles voies dans l’utilisation de biomatériaux pour la production industrielle de cardiomyocytes et pour la fabrication de patches cliniques, cellularisés ou non, dans le traitement de l’insuffisance cardiaque. / Cell therapy is a promising strategy to help regenerate the damaged heart. Recent studies have placed a lot of hopes in embryonic stem cells and our lab had previously found a way to differentiate them into cardiac progenitors, cells that can only differentiate into cardiomyocyte, endothelial cells or smooth muscle cells. This early commitment decreases their proliferative capabilities, yet maintains their plasticity for better integration inside the host tissue. However, clinical and pre-clinical injection studies did not really meet the expectations. Even though slight improvements in cardiac function were demonstrated, very low cell viability has been observed, as well as a very low retention of the cells inside the myocardium. To address this problem, my PhD projects not only focus on the design of new biomaterials to act as a vehicle for cell delivery and retention in the infarcted area, but also on the design of biomaterials that control the cellular environment during the differentiation of pluripotent stem cells into cardiomyocytes. Going back and forth between the labs and the clinics, we first developed new techniques for the fabrication and the characterization of a cell-laden fibrin patch that is now undergoing phase I clinical trial. From the approved clinical formulation, we then propose new blends of clinical materials that will eventually improve the maturation of the cardiac progenitors once grafted onto the failing heart. In this perspective, we developed an in vitro model to investigate the combined influence of matrix elasticity and topographical confinement on stem cell differentiation into cardiomyocytes. By using microfabrication techniques to pattern pluripotent stem cells on substrates of controlled stiffness, we demonstrate that even using a widely recognized chemical-based protocol to modulate signaling cascades during differentiation, much heterogeneity emerges depending on the cellular physical environment. We thus extracted the main features that led to controlled and reproducible cardiac differentiation and applied it to the fabrication of next generation of multi-layered anisotropic cardiac patches in compliances with clinical requirements. This work opens new routes to high-scale production of cardiomyocytes and the fabrication of cell-laden or cell-free clinical patches.