L’objectif de cette thèse a consisté à étudier in vitro des phénomènes d’auto-assemblage de molécules de collagène de type I natif, dénaturé ou modifié. Dans une première partie, nous avons analysé des solutions denses en milieu acide de collagène I et de gélatine A par microscopie à lumière polarisée et microscopie SHG résolue en polarisation (P-SHG). Nous avons ainsi mis en évidence la première mésophase obtenue à partir de gélatine. Nous avons ensuite étudié l’impact de la gélatine sur des mésophases en contre-plaqué de collagène I et montré que le collagène pouvait être subtilisé par la gélatine à hauteur de 20% sans en affecter la formation des phases en contre-plaqué. Les matrices collagène/gélatine obtenues après fibrillogenèse ont été caractérisées à différentes échelles en ayant recours à la calorimétrie différentielle (DSC), à la microscopie électronique à transmission (MET), au P-SHG et l’imagerie par résonnance magnétique (IRM). Nous avons montré que ces matrices présentent une structuration hiérarchique de type fractal et que la gélatine stabilise le collagène.Dans la seconde partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés d’auto-assemblage de molécules de collagène I modifié avec de la rifamycine SV pour la synthèse de gels à délivrance contrôlée. Nous avons utilisé différents modes d’assemblage afin d’arriver à notre but et avons caractériser les propriétés chimiques, rhéologiques et antibiotiques des gels obtenues. Pour mieux comprendre le système, nous avons étudié la structure des assemblages de collagène modifié au sein d’un système dilué à l’aide du cryo-MET et de la microscopie à force atomique couplé à la spectroscopie infrarouge (AFMIR). / The object of this thesis was to study the in vitro self-assembly phenomena of native, denatured or modified collagen type I.In the first part, we analysed dense solutions of collagen I and gelatin A (in acidic medium) by polarized light microscopy and polarization resolved SHG microscopy (P-SHG). We have thus observed the first mesophase obtained from gelatin. We then studied the impact of gelatin on collagen I plywood mesophases and showed that collagen could be replaced by gelatin up to 20% without affecting the formation of the plywood phases.Collagen/gelatin matrices obtained after fibrillogenesis were characterized at different scales by using Differential Scanning Calorimetry (DSC), Transmission Electron Microscopy (TEM), P-SHG and Magnetic Resonance Imaging (MRI). We showed that these matrices have a hierarchical structure of fractal type and that gelatin stabilizes collagen.In the second part, we studied the self-assembly of collagen I modified with rifamycin SV for the synthesis of controlled delivery gels.We used different methods of assembly in order to reach our goal and we characterized the chemical, rheological and antibiotic properties of the obtained gels. To better understand the system, we studied the structure of modified collagen assemblies in a diluted systems with cryo-TEM and atomic force microscopy coupled with infrared spectroscopy (AFMIR).

L’épithélium intestinal est composé d’une monocouche de cellules épithéliales qui recouvrent à la fois les villi qui projettent dans le lumen et les cryptes invaginées dans le tissu conjonctif sous-jacent. Les cellules souches intestinales prolifèrent dans les cryptes et se différencient en 5 types de cellules différenciées incluant les entérocytes, les cellules de Paneth, les cellules caliciformes, les cellules entéroendocrines et les cellules Tuft. La plupart de ces cellules différenciées migrent vers le pôle apical du villus où elles meurent par apoptose exception faite des cellules de Paneth qui sont présentes uniquement dans les cryptes. Les cellules épithéliales adhèrent à la membrane basale qui sépare l’épithélium du stroma principalement constitué de collagène I et de fibroblastes. L’épithélium intestinal est renouvelé chaque semaine. Plusieurs voies de signalisation biochimiques qui gouvernent l’homéostasie intestinale ont été isolées en utilisant des modèles murins. En complément des études menées in vivo, des systèmes in vitro ont été développés de répondre à des questions difficiles à étudier in vivo, on peut notamment citer les organoides. Malgré leur indiscutable intérêt, les organoides ne reproduisent pas certaines caractéristiques majeures de l’intestin, à savoir que le nombre de total de cellules ne reste pas constant, qu’ils ne forment pas spontanément des villi et que le stroma est absent de ces modèles. Présentement, uniquement deux microsystèmes ont tenté de pallier l’absence de villi de ces modèles en reproduisant des caractéristiques dynamique (i.e le mouvement péristaltique) ou architecturale (i.e la topographie des villi) de l’intestin dans le but d’induire la formation des villi. Cependant, dans ces deux systèmes, les cellules ne reposent pas sur un substrat physiologique et sont directement ensemencées sur un support élastomérique. Quand bien même la surface de ces substrats est traitée avec des molécules constitutives de la matrice extracellulaire (ECM), ils ne reproduisent pas la micro-architecture (e.g sa structure microfibrillaire et la possibilité d’être remodelée par les cellules ensemencées) et les propriétés mécaniques spécifiques de l’ECM intestinale. Il est ainsi fort probable que ces systèmes induisent des phénotypes différents de ceux comprenant un substrat physiologique. Pour éviter ces phénomènes, nous avons développé un système innovant qui reproduit à la fois la composition et la topographie de la matrice intestinale. Le collagène I, en tant que principal composant des matrices extracellulaires, des mammifères a naturellement été choisi comme substrat cellulaire. La composition ainsi que les propriétés rhéologiques du collagène commercial ont été comparées au collagène extrait de queue de rat dans le laboratoire. Les techniques de lithographies ont été adaptées pour microstructurer les hydrogels en collagène en une sinusoïde tridimensionnelle de 400µm de période et 400µm d’amplitude en accord avec les dimensions anatomiques des intestins de souris. Les cellules épithéliales de lignées Caco2 qui sont considérées comme un modèle de cellules intestinales ont été ensemencées à la surface de la structure et ont colonisé les micro-structures en formant une monocouche cellulaire. L’utilisation du collagène I permet l’inclusion de fibroblastes primaires dans la matrice où ils évoluent in vivo. Les forces de tension développées par la monocouche épithéliale à la surface de la matrice mais également par les fibroblastes dans l’hydrogel affaissent les structures. Plus la concentration en collagène des gels est importante moins les structures sont déformées. Cependant, pour des concentrations supérieures à 6mg/mL, les fibroblastes présentent des difficultés pour s’étaler et proliférer dans la matrice probablement dues à une diffusion réduite des nutriments dans de telles matrices mais également à une réduction de la taille du maillage fibrillaire qui empêche l’étalement des cellules. / The epithelium of the small intestine is composed of a single layer of epithelial cells lining the villi that project into the lumen of the gut, and the crypts that descend into the underlying connective tissue. Dividing stem cells are contained within the crypts and give rise to five types of specialized epithelial cells including enterocytes, Goblet cells, Paneth cells, enteroendocrine cells and Tuft cells. Most of those cells travel upwards from the crypt towards the villus tip where they shed into the lumen except for Paneth cells that remain confined into the crypt. The basement membrane underlines the basal surface of epithelium and separates it from the stroma mostly composed of collagen I and fibroblasts. The whole intestinal epithelium is renewed every week. Many biochemical pathways that control intestinal homeostasis are discovered using mouse models. In contrast, in vitro models systems, such as organoids, provide a mean to investigate questions hard to be addressed in vivo. Despite their obvious interest, organoids do not fully recapitulate intestinal features: the total number of cells does not remain constant, villi-like structures are missing as well as cells and matrix constitutive of the stroma. Only two microfabricated devices have been developed to overcome this absence of villi by replicating dynamic (i.e the peristaltic motion) or structural feature (i.e the topography of the villus) of the intestine in order to induce the formation of villi. However they both do not provide the cells a physiological substrate as cells are directly seeded on an elastomeric synthetic scaffold. Even though those substrates are coated with ECM molecules, as they miss the micro-architecture specific of ECM (e.g. fibrillar structure and capacity to be remodeled by cells) as well as their mechanical properties; they might induce a different phenotype to the cells than if they were seeded on/in an ECM-like hydrogel. To address this lack, we developed an innovative device that recapitulates both the composition and topography of the intestinal lining. We chose collagen I as the constituent of our substrate since collagen I is the most abundant protein in mammals and the main constituent of all ECM in the body. We first characterized the composition and the rheological properties of commercial rat tail collagen I hydrogel and compared it to the one we extracted from rat tails. To reproduce the 3D structure of the intestine, we microstructured collagen I scaffolds as 3D sinusoids with 400µm period and 400µm height that respect the anatomic dimensions of mice intestine by adapting methods from soft lithography field. Epithelial cells from Caco2 cell line which are considered as an intestinal model were first seeded on the surface of the scaffold and successfully colonized the structure as a monolayer. Primary fibroblasts were embedded in collagen scaffolds were they actually belong in vivo. The force exterted by the epithelial monolayer at the surface of the scaffold but also by the fibroblasts inside the gels flattened the structures. The higher the concentration of collagen was the less the structures were deformed. However, for collagen concentrations higher than 6mg/mL, the fibroblasts experienced difficulties to spread and proliferate in the matrix probably related to a reduced diffusion of nutrients in such matrix or to the reduced mesh size of the fibrillar network that prevent cell spreading. Two main approaches were investigated to stiffen the collagen scaffold while maintaining a porosity suitable for fibroblasts spreading and proliferation. One consisted in the addition of a stiffer biocompatible polymer to generate a hybrid semi-interpenetrating network hydrogel with improved mechanical properties. The other resided in the addition of a cross-linker that covalently bonded the fibrils constitutive of the collagen network.

Les ligaments jouent un rôle important dans le mouvement et la stabilité des articulations. Les accidents et la fatigue chronique sont les principales raisons des ruptures de ligaments qui n’ont généralement pas de capacité de guérison, ce qui conduit à de graves dysfonctionnements du ligament et des articulations. La construction des ligaments en bioingénierie donne un nouvel espoir thérapeutique. Pour construire un tel tissu, les cellules sont très importantes dans la mise en oeuvre de la construction d’un biotissu ayant de bonnes propriétés tant biologiques que mécaniques. Quelle source cellulaire et quel microenvironnement doivent être utilisés pour la reconstruction des ligaments ? L’objectif de ce travail était d’étudier la différenciation des cellules souches mésenchymateuses médullaires (CSMM) en fibroblaste. Pour ce faire, d’une part, nous avons co-cultivé des CSMM du rat sans contact avec des fibroblastes ligamentaires, et d’autre part, nous avons stimulé mécaniquement les CSMM. Un suivi des ARNm et des protéines associées caractéristiques des ligaments (collagènes I et III et ténascine-C) a été analysés. Nos résultats expérimentaux ont montré que la culture des CSMM dans un microenvironnement fibroblastique de ligaments ou l’étirement favorisent les synthèses de collagènes I et III et de ténascine-C dans les proportions proches des ligaments. L’ensemble de cette étude suggère qu’il est envisageable d’utiliser les CSMM comme source cellulaire, pour une application clinique, en ingénierie tissulaire du ligaments / Ligaments play an important role in the movement and stability of joints. Accidents and chronic fatigues are the main reasons for ligament lesion which usually is difficult for self healing and leads to serious dysfunction of ligaments and joints. The construction of bioengineering ligaments gives a new way to overcome this problem. Cells are very important in the construction of a biotissue with appropriate biological as well as mechanical properties. Which cellular source and microenvironment should be used for the reconstruction of ligaments? The objective of this work is to study the differentiation of bone marrow mesenchymal stem cell (BMSC) into fibroblast. We co-cultured indirectly rat BMSC with ligament fibroblasts or stimulated them by mechanical stretching. After that, the expressions of characteristics mRNA and protein of ligaments (collagen I, III and tenascin-C) have been analyzed. Our experimental results showed that the culture of BMSC in a microenvironment of ligament fibroblast or under stretching favored the syntheses of collagen I, III and tenascin-C in the proportions close to ligaments. In summary, these studies suggest it is feasible to use BMSC as cellular source for a clinical application in tissue engineering of ligaments

Le basculement de paradigme apporté par l'ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative par rapport à l'approche thérapeutique utilisant les biomatériaux, questionne aujourd'hui les méthodes d'évaluation de ces thérapies avancées en histopathologie. Les outils d'évaluation actuellement disponibles en histopathologie ne sont pas pleinement satisfaisants pour l'évaluation locale de ces thérapies avancées, notamment en matière d'évaluation de leur performance. Nous avons développé une nouvelle méthode quantitative numérique, simple, peu coûteuse fournissant des indicateurs clés pour la caractérisation structurelle et compositionnelle des tissus régénérés. Cet indicateur mesure le taux de croissance tissulaire (TIR) en intégrant deux autres indicateurs, le taux de croissance cellulaire (CIR) et le contenu total en collagène (TCC). Il se traduit par l'équation suivante TIR (%) = CIR (%) + TCC (%). D'autre part, un sous-ensemble d'indicateurs quantitatifs décrivant l'organisation directionnelle du collagène (relation entre structure et propriétés mécaniques des tissus), le ratio collagène I / collagène III (qualité du remodelage) et la propriété anisotropique optique du collagène (indicateur de maturité), a également été produit automatiquement. A l'aide d'un analyseur d'images assisté par ordinateur tous les indicateurs sont extraits uniquement à partir de deux lames sériées colorées soit avec du Feulgen & Rossenbeck (spécificité cellulaire) ou à l'aide de la coloration au rouge picrosirius F3BA (spécifique du collagène). Pour valider cette nouvelle approche, des échafaudages 3D identiques ont été implantés en site intrapéritonéal chez un groupe de rats sains et chez un groupe de rats diabétiques. L'hypothèse émise était que quantitativement la régénération tissulaire serait significativement retardée et défectueuse chez les rats diabétiques par rapport aux rats sains. De plus, un échafaudage 3D chimiquement modifié a été similairement implanté chez un troisième groupe de rats sains avec l'hypothèse qu'une modulation de la croissance tissulaire serait mise en évidence quantitativement par rapport au groupe de rats sains portant l'échafaudage 3D non-modifié. Après 21 jours d'implantation, les deux hypothèses ont été vérifiées, validant cette nouvelle approche d'analyse quantitative computationnelle. Les résultats quantitatifs ont révélé des différences tissulaires fines qui n'ont pas été détectées à l'évaluation semi-quantitative conduite en parallèle. Cette méthode automatisée et supervisée réduit la dépendance à l'opérateur à un minimum et s'est montrée sensible, simple, peu coûteuse et permet de gagner du temps. Elle offre le double avantage d'objectiver les comparaisons thérapeutiques et de comprendre la régénération des tissus fonctionnels localement et dans le temps / The paradigm shift brought about by the expansion of tissue engineering and regenerative medicine away from the use of biomaterials, currently questions the value of histopathologic methods in the evaluation of biological changes. To date, the available tools of evaluation are not fully consistent and satisfactory for these advanced therapies. We have developed a new, simple and inexpensive quantitative digital approach that provides key metrics for structural and compositional characterization of the regenerated tissues. For example, metrics provide the tissue ingrowth rate (TIR) which integrates two separate indicators; the cell ingrowth rate (CIR) and the total collagen content (TCC) as featured in the equation, TIR%=CIR%+TCC%. Moreover a subset of quantitative indicators describing the directional organization of the collagen (relating structure and mechanical function of tissues), the ratio of collagen I to collagen III and the optical anisotropy property of the collagen (maturity indicator) was automatically produced as well. Using an image analyzer, all metrics were extracted from only two serial sections stained with either Feulgen & Rossenbeck (cell specific) or Picrosirius Red F3BA (collagen specific). To validate this new procedure, 3D scaffolds were intraperitoneally implanted in healthy and diabetic rats. It was hypothesized that quantitatively; the healing tissue would be significantly delayed and of poor quality in diabetic rats in comparison to healthy rats. In addition, a chemically modified 3D scaffold was similarly implanted in a third group of healthy rats with the assumption that modulation of the ingrown tissue would be quantitatively present in comparison to the 3D scaffold-healthy group. After 21 days of implantation, both hypotheses were verified by use of this novel computerized approach. When the two methods were run in parallel, the quantitative results revealed fine details and differences not detected by the semi-quantitative assessment, demonstrating the importance of quantitative analysis in the performance evaluation of soft tissue healing. This automated and supervised method reduced operator dependency to a minimum and proved to be simple, sensitive, cost-effective, time-effective, a way of doing objective therapeutic comparisons and a way to elucidate regeneration and the dynamics of a functional tissue