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.

Les progrès technologiques récents en imagerie par résonance magnétique (IRM) ont ouvert la voie à une résolution spatiale de l’ordre de quelques microns, et donc à l’imagerie de cellules biologiques. Dans le cadre de ce projet, nous avons réalisé des expériences de microscopie IRM sur le système nerveux de l’aplysie (Aplysia californica), particulièrement adapté de par sa simplicité et de par la très grande taille de ses neurones, en vue d’étudier des processus à échelle cellulaire avec divers contrastes IRM. Les expériences d’imagerie ont été effectuées sur un aimant horizontal 17.2 Tesla, à des résolutions spatiales jusqu’à 25 µm isotrope. Le travail initial a consisté en la conception et fabrication de micro-antennes radiofréquences adaptées à la taille de neurones uniques et de ganglions. La première partie du projet a porté sur l’utilisation de l’ion manganèse (Mn2+) comme traceur de réseaux neuronaux dans le ganglion buccal de l’aplysie. Le manganèse (Mn) est un agent de contraste IRM qui pénètre dans les neurones par les canaux de calcium. La cartographie des projections axonales des neurones moteurs du ganglion dans chacun des nerfs périphériques a été établie. Il a également été démontré l’existence d’un transport actif du Mn2+ au sein du réseau neuronal activé par le neurotransmetteur dopamine. Dans un second temps, on s’est intéressé à deux méthodes de mesure de diffusion par IRM, à échelle microscopique. D’une part, un mécanisme de pondération en diffusion, DESIRE (Diffusion Enhancement of SIgnal and REsolution), original et particulièrement adapté à des échantillons petits, a été exploré. La séquence DESIRE a été implémentée en deux dimensions et testée avec succès sur fantôme. Le rehaussement mesuré était en accord avec les prévisions théoriques. Le grand défi à venir sera d’utiliser cette séquence pour acquérir des images de tissu biologique pondérées en diffusion avec un contraste unique. D’autre part, une séquence plus « classique » a été implémentée pour mesurer le coefficient de diffusion apparent (ADC) dans le tissu nerveux. Il s’agit d’une DP-FISP (Diffusion Prepared Fast Imaging with Steady-state free Precession) en trois dimensions, qui répond aux critères de résolution spatiale et de rapidité, avec un minimum d’artefacts. Cette séquence a permis d’étudier l’évolution de l’ADC de l’eau à différentes échelles du tissu nerveux en réponse à un stress cellulaire. Les deux sollicitations retenues étaient un choc hypotonique ou l’ajout d’ouabaïne. Des mesures d’ADC ont été effectuées sur des corps neuronaux isolés et sur du tissu de ganglion, avant et après sollicitation. Les deux types de stress ont entraîné une augmentation de l’ADC dans la cellule et une diminution globale de l’ADC dans le tissu. Ces résultats soutiennent l’hypothèse que la diffusion ralentie de l’eau habituellement observée dans un tissu ischémié (ou dans d’autres conditions associées à un gonflement cellulaire) est due à l’augmentation de surface membranaire. / Recent progress in magnetic resonance imaging (MRI) has opened the way for micron-scale resolution, and thus for imaging biological cells. In this thesis work, we performed magnetic resonance microscopy (MRM) on the nervous system of Aplysia californica, a model particularly suited due to its simplicity and to its very large neuronal cell bodies, in the aim of studying cellular-scale processes with various MR contrasts. Experiments were performed on a 17.2 Tesla horizontal magnet, at resolutions down to 25 µm isotropic. Initial work consisted in conceiving and building radiofrequency microcoils adapted to the size of single neurons and ganglia. The first major part of the project consisted in using the manganese ion (Mn2+) as neural tract tracer in the buccal ganglia of Aplysia. Manganese is an MR contrast agent that enters neurons via voltage-gated calcium channels. We performed the mapping of axonal projections from motor neurons into the peripheral nerves of the buccal ganglia. We also confirmed the existence of active Mn2+ transport inside the neural network upon activation with the neurotransmitter dopamine. In the second major part of the project, we tested the potential of two diffusion MRI sequences for microscopy. On the one hand, we explored a very original mechanism for diffusion weighting, DESIRE (Diffusion Enhancement of SIgnal and REsolution), particularly suited for small samples. The two-dimensional DESIRE sequence was implemented and successfully tested on phantoms. The measured enhancement was consistent with theoretical predictions. Using this sequence to produce diffusion weighted images with an unprecedented contrast in biological tissue remains a challenge. On the other hand, a more “standard” sequence was implemented to measure the apparent diffusion coefficient (ADC) in nervous tissue with MRM. This sequence was a three-dimensional DP-FISP (Diffusion Prepared Fast Imaging with Steady-state free Precession), which met criteria for high resolution in a short acquisition time, with minimal artifacts. Using this sequence, we studied the changes in water ADC at different scales in the nervous system, triggered by cellular challenges. The challenges were hypotonic shock or exposure to ouabain. ADC measurements were performed on single isolated neuronal bodies and on ganglia tissue, before and after challenge. Both types of stress produced an ADC increase inside the cell and an ADC decrease at tissue level. The results favor the hypothesis that the increase in membrane surface area associated with cell swelling is responsible for the decrease of water ADC in tissue, typically measured in ischemia or other conditions associated with cell swelling.

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant permettant d’acquérir des profils biochimiques du cerveau et de quantifier de nombreux paramètres cellulaires in vivo. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à trois techniques : (i) la spectroscopie RMN du 1H pondérée en diffusion, (ii) la spectroscopie RMN du carbone-13 (13C) et (iii) de l’oxygène-17 (17O) pour étudier la microstructure et la fonction cellulaire in vivo.Les métabolites cérébraux sont des traceurs endogènes spécifiques d’un type cellulaire (neurones et astrocytes) dont la diffusion dépend des nombreuses propriétés cellulaires (par exemple la viscosité du cytosol et la restriction intracellulaire). L’étude de la dépendance du coefficient de diffusion (ADC) aux temps de diffusion (td) permet de quantifier chacun de ces paramètres. En particulier, la mesure de l’ADC aux td longs permet d’évaluer la compartimentation des métabolites. Dans une première étude, nous avons mesuré l’ADC de plusieurs métabolites neuronaux et astrocytaires sur une large gamme de td (de ~80 ms à ~1 s) dans un large voxel dans le cerveau du macaque. Aucune dépendance de l’ADC de l’ensemble des métabolites au td n’a été observée suggérant que les métabolites diffusent majoritairement dans les prolongements neuronaux (axones, dendrites) et astrocytaires et ne sont pas confinés dans le corps cellulaire ou les organelles (mitochondries, noyau). La grande taille du voxel, liée à la sensibilité de détection limitée, ne nous a pas permis d’étudier la compartimentation des métabolites dans la substance blanche (SB) et la substance grise (SG). C’est pourquoi, une nouvelle étude a été réalisée dans le cerveau de l’Homme. Les résultats montrent que les métabolites diffusent dans des structures fibrillaires dans la SG et la SB. Enfin, une dernière étude, avec une gamme de td jusqu’à 2 s chez le macaque, nous a permis d’estimer, à l’aide de modèles analytiques simples mimant la structure cellulaire, la longueur des fibres neuronales (~110 μm) et astrocytaires (~70 μm). L’oxydation du glucose au sein des mitochondries permet de produire l’ATP (adénosine triphosphate), la principale source d’énergie de l’organisme. La spectroscopie du 13C permet de mesurer la vitesse de dégradation du glucose dans le cycle de Krebs (VTCA). Cette méthode est largement reconnue pour l’étude du métabolisme. Néanmoins, de nombreuses limitations, en termes de modélisation des données en détection indirecte ou de puissance émise dans le contexte du découplage hétéronucléaire en détection directe, ont été rencontrées sur notre scanner IRM. C’est pourquoi, la spectroscopie du 17O a ensuite été développée afin de quantifier la vitesse de consommation de l’oxygène pendant la phosphorylation oxydative (CMRO2). Des développements méthodologiques et technologiques ont été nécessaires et sont encore en cours pour mettre en place et valider cette technique qui n’a encore jamais été utilisée chez le macaque. / Magnetic Resonance Spectroscopy is a unique tool that allows acquiring brain biochemical profiles and quantifying many cellular parameters in vivo. During this thesis, three different techniques have been developed: (i) 1H diffusion-weighted, (ii) carbone-13 (13C) and (iii) oxygen-17 (17O) NMR spectroscopy to study brain structure and function in vivo. Brain metabolites are cell-specific endogeneous tracers of the intracellular space whose translational diffusion depends on many cellular properties (e.g.: cytosol vicosity and intracellular restriction). Studying the variation of the diffusion coefficient (ADC) as a function of diffusion time (td) allows untangling and quantifying those parameters. In particular, measuring metabolites ADC at long diffusion times gives information about the metabolites compartmentation in cells. In a first study, we measured neuronal and astrocytic metabolites ADC over a large time window (from ~80 ms to ~1 s) in a large voxel in the macaque brain. No dependence of all metabolites ADC on td was observed suggesting that metabolites primarily diffuse in neuronal (dendrites and axons) and astrocytic processes and are not confined inside the cell body and organelles (nucleus, mitochondria). The large size of the voxel, due to low detection sensitivity, did not allow us to study metabolites compartmentation in pure white (WM) and grey matters (GM). Therefore, we performed a new study in the human brain. Results showed that in both WM and GM metabolites diffuse in fiber-like cell structure. Finally, using an even larger time window (up to 2 s) in the macaque brain and analytical models mimicking the cell structure, we estimated the length of neuronal (~110 μm) and astrocytic (~70 μm) processes. ATP (adenosine triphosphate), the main source of energy in the organism, is produced thanks to glucose oxidation inside the mitochondria. 13C NMR spectroscopy is a well-known technique to study brain energy metabolism and can be used to estimate the rate of glucose degradation within the Krebs cycle (VTCA). However, many limitations, concerning data modeling when performing indirect detection or power deposition due to heteronuclear decoupling during direct detection, were encountered on our MRI scanner. Therefore, 17O NMR spectroscopy was developed to quantify the rate of oxygen consumption during oxidative phosphorylation (CMRO2). Methodological and technological developments were necessary and are still ongoing to validate this technique, which has never been used with macaque.