L'ingénierie tissulaire vise à réparer les tissus endommagés et à récupérer les fonctions biologiques correspondantes. Afin de restaurer un tissu endommagé tel que le système nerveux, la conception et la fabrication de nouveaux types d'échafaudages tissulaires sont nécessaires. Dans ce travail, nous avons développé plusieurs techniques de microfabrication pour le polyfluorure de vinylidène (PVDF), un fluoropolymère thermoplastique, non réactif et piézoélectrique, qui peut être utilisé pour la culture cellulaire et l'ingénierie tissulaire. Nous avons tout d'abord étudié l'adhésion et la croissance cellulaire sur des substrats en PVDF avec des motifs micro et nanométriques en utilisant différentes techniques de fabrication telles que la micro-photolithographie, la lithographie douce, l'impression par microcontact, etc. L'influence de la micro-structuration sur les activités piézo-électriques du PVDF a été caractérisée par différentes méthodes d'analyses de surface (FTIR, XRD). Par la suite, nous avons effectué une étude systématique sur la fabrication de nanofibres de PVDF et leur compatibilité avec la culture cellulaire. Enfin, nous avons démontré la possibilité de doper ces nanofibres avec des nanoparticules magnétiques ce qui les rends excitables à distance par un champ magnétique.

Thèse d'exercice : Pharmacie : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Ce travail a pour but de développer des nouveaux substrats d’étude en culture cellulaire. Nous avons d'abord fabriqué des réseaux de micro-piliers en élastomère et en polymères thermoplastiques. En particulier, nous avons réalisé des réseaux de micro-piliers adjacents et de différentes hauteurs, qui dépend de la rigidité de la surface de culture. Nos résultats ont montré que les cellules étaient sensibles à la hauteur des piliers lorsque la rigidité effective du substrat était similaire à celle de la cellule et que les cellules se déplacent préférentiellement vers la partie plus rigide. Nous avons également développé une méthode pour fabriquer des nanofibres sur les piliers élastomère pour créer un substrat qui reproduit la matrice extracellulaire in vivo. Nos résultats ont montré que les neurones primaires de l'hippocampe sur un tel substrat étaient plus actifs que sur des substrats plats. En outre, nous avons analysé le confinement et la déformation des noyaux cellulaires dans les espaces inter-piliers pour les études de cellules tumorales et de cellules souches. Enfin, nous avons intégré les réseaux de micro-piliers dans un dispositif microfluidique afin de montrer que la migration cellulaire soumise à un gradient de concentration était influencée par la rigidité du substrat. En conclusion, les micropiliers ainsi fabriqués peuvent être utilisés pour réguler la rigidité d’un substrat afin d’étudier divers mécanismes en culture cellulaire. / This work aimed to provide new substrates for cell culture studies. We first developed a method to fabricate micropillars in both elastomer and thermoplastic polymer. In particular, we produced adjacent micropillar arrays with different heights to evaluate the surface stiffness dependent migration of cells. Our results showed that cells were sensitive to the height of the pillars when the effective stiffness of the substrate is compatible to that of the cell and that the cells were preferentially localized on the stiffer surface area. We also developed a method to fabricate nanofibers on the elastomer pillars to create in-vivo like extracellular matrix. Our results showed that primary hippocampal neurons on such a substrate were more active than on flat substrates. Furthermore, we analyzed the confinement and deformation of cell nuclei in the inter-pillar areas for both cancer and stem cell studies. Finally, we integrated the micro-pillar arrays into a microfluidic device and showed that the cell migration under concentration gradient was influenced by the substrate stiffness. Altogether, the fabricated pillar arrays can be used to regulate the stiffness of the substrate for cell culture studies.

La crête neurale (CN) est une structure multipotente transitoire de l'embryon de vertébrés. La CN céphalique (CNC), mais pas la CN troncale (CNT), fournit des tissus mésenchymateux (squelette, derme et tissus adipeux de la face). Cette capacité de la CNC est liée à l'absence d'expression des gènes de type Hox. Cependant, les cellules de la CNT possèdent des potentialités mésenchymateuses à l'état dormant, qui peuvent s'exprimer en culture. Les mécanismes moléculaires qui régulent les potentialités mésenchymateuses de la CN le long de l'axe antéro-postérieur restent incompris. Chez l'embryon d'oiseau, nous avons étudié l'influence des facteurs de transcription Hox et Six sur la formation du mésenchyme par la CN. D'une part, nos analyses in vivo et in vitro montrent que Six1 est présent dans des cellules mésenchymateuses de la CN et du mésoderme, suggérant un rôle dans le développement musculo-squelettique de la tête. D'autre part, nous avons testé l'hypothèse d'un rôle inhibiteur des facteurs Hox. Nos résultats montrent que l'expression ectopique de Hoxa2 dans les cellules de CNC en culture inhibe la production d'ostéoblastes, sans affecter celle des cellules nerveuses et mélanocytaires. Dans la CNT, nous avons trouvé que la différentiation osseuse, cartilagineuse et adipocytaire, est fortement réduite après la surexpression de Hoxa2, sans effet sur les autres phénotypes dérivés de la CN. Ces résultats suggèrent que les potentialités mésenchymateuses de la CN sont régulées, au moins en partie, par un mécanisme commun aux cellules de CNC et CNT, mettant en jeu une inhibition de l'activité du gène Hoxa2. / The neural crest (NC) is a transitory multipotent structure of the vertebrate embryo. The cephalic NC (CNC), not the trunk NC (TNC), gives rise to mesenchymal cell types (contributing to craniofacial skeleton, dermis and adipose tissue). This capacity of the CNC has been linked to the absence of Hox gene expression in the most rostral region of the embryo. However, TNC cells do have mesenchymal potentialities, although in a dormant state in vivo, but which can be disclosed after NC in vitro culture. The molecular mechanisms that regulate mesenchymal potentials of the NC cells along the rostral-caudal axis are still elusive. Here, we have used the avian embryo model to investigate the possible influence on NC mesenchymal fate, of Hox and Six transcription factor genes. On the one hand, in vivo and in vitro culture analyses show that Six1 gene is expressed in mesenchymal cell populations derived from both cranial NC and mesoderm, suggesting a role for Six1 in muscle-skeletal development in the head. On the other hand, we have tested the hypothesis of an inhibitory action of Hox genes on NC cell mesenchymal differentiation using NC in vitro cultures. In CNC cells, we found that ectopic expression of Hoxa2 strongly reduces the production of osteoblasts, while neural and melanocytic phenotypes are unaffected. In the cultured CNT cells, overexpression of Hoxa2 results in largely impaired differentiation into bone cells, chondrocytes and adipocytes, whereas other NC derivatives are unchanged. These results suggest that mesenchymal potentials of the CNC and TNC are controlled, at least in part, via a common mechanism that involves inhibition of Hoxa2 gene activity.

Le sepsis sévère est un problème majeur de santé publique mondiale. Sa mortalité élevée résulte d’une réponse dérégulée de l’hôte au sepsis, associant hyper inflammation et immunodépression. Le choc septique est la forme la plus grave du sepsis, impliquant une défaillance cardiovasculaire à laquelle peuvent se surajouter d’autres défaillances d’organes. Le foie, organe majeur impliqué dans la défense et la réponse au stress induit par la septicémie peut être victime de cette réponse inflammatoire exagérée. Une dysfonction hépatocellulaire (DHC) peut survenir et évoluer jusqu’à la défaillance d’organe. Dans ce cas, l’existence d’une insuffisance hépatique est associée à un mauvais pronostic dans le choc septique à court terme. A partir d’une grande cohorte prospective de patients en choc septique, nous avons montré dans ce travail que cette DHC était associée à une surmortalité à long terme. Malgré, une meilleure connaissance de la physiopathologie du sepsis et en particulier des altérations du foie, l’impact des thérapeutiques utilisées au cours du choc septique, telles que les catécholamines (adrénaline, noradrénaline), reste indéterminé. Les travaux préliminaires de notre équipe avaient permis de montrer l’effet pro-inflammatoire de l’adrénaline sur un modèle de culture hépatocytaire. Dans ce travail, nous avons cherché à évaluer l’influence des cellules de Küpffer acteur de l’environnement péri-hépatocytaire. Pour cela nous avons utilisé un modèle de co-culture d’hépatocytes (HepaRG) et de macrophages (THP1 différenciés par PMA), stimulé par le lipopolysaccharide (LPS) et/ou l’adrénaline. L’analyse de la réponse d’expression génique et de production de cytokines a permis d’identifier l’adrénaline comme facteur capable de modifier la réponse immune vers un état pro-inflammatoire même en présence d’un mécanisme anti-inflammatoire développé par les macrophages, indiquant ainsi un rôle potentiellement délétère de l’adrénaline sur les mécanismes de défenses du foie. / Severe sepsis is a major health problem. Its high mortality rate over the world is the result of a dysregulated host response to sepsis including an exaggerated inflammation response and immune suppression. Septic shock is the most severe expression of sepsis, including cardiovascular failure and other organ failure. The liver, a major organ involved in the defense and stress response induced by sepsis may also be a victim of this inflammatory response to infection. A hepatocellular dysfunction (HCD) can develop and evolve to the organ failure. In this case, the liver failure is associated with poor prognosis in septic shock in the early course of sepsis. Here, we have shown in a large prospective cohort of patients with septic shock that the HCD was associated with long-term mortality. Despite a better understanding of the pathophysiology of sepsis, especially liver changes, the impact of treatment used during septic shock, such as catecholamines (epinephrine, norepinephrine), remains unknown. The preliminary work of our team had demonstrated the proinflammatory effect of adrenaline on a hepatocyte culture model. In this work, we studied the influence of hepatocyte environment especially Küpffer cells. Thus, we used a co-culture model including hepatocytes (HepaRG) and macrophages (differentiated THP1 PMA) stimulated by lipopolysaccharide (LPS) and / or adrenaline. The gene expression and the cytokine profile analysis allowed to identify adrenaline as a factor able to shift the immune response to a proinflammatory state even if macrophages developed an anti-inflammatory response, indicating a deleterious effect of adrenaline on liver defense mechanisms.

L'ingénierie tissulaire vise à réparer les tissus endommagés et à récupérer les fonctions biologiques correspondantes. Afin de restaurer un tissu endommagé tel que le système nerveux, la conception et la fabrication de nouveaux types d’échafaudages tissulaires sont nécessaires. Dans ce travail, nous avons développé plusieurs techniques de microfabrication pour le polyfluorure de vinylidène (PVDF), un fluoropolymère thermoplastique, non réactif et piézoélectrique, qui peut être utilisé pour la culture cellulaire et l'ingénierie tissulaire. Nous avons tout d'abord étudié l'adhésion et la croissance cellulaire sur des substrats en PVDF avec des motifs micro et nanométriques en utilisant différentes techniques de fabrication telles que la micro-photolithographie, la lithographie douce, l’impression par microcontact, etc. L'influence de la micro-structuration sur les activités piézo-électriques du PVDF a été caractérisée par différentes méthodes d'analyses de surface (FTIR, XRD). Par la suite, nous avons effectué une étude systématique sur la fabrication de nanofibres de PVDF et leur compatibilité avec la culture cellulaire. Enfin, nous avons démontré la possibilité de doper ces nanofibres avec des nanoparticules magnétiques ce qui les rends excitables à distance par un champ magnétique / Tissue engineering aims at repairing damaged tissues and recovering the lost or degraded biological functions with artificial scaffolds. In order to meet the requirement for more complex functionality such as peripheral nerve reconstruction, new types of scaffold materials are needed. In this work, we developed several micro- and nanofabrication techniques to pattern polyvinylidene fluoride (PVDF), a highly non-reactive, piezoelectric, thermoplastic fluoropolymer, which can serve as new constituents for advanced tissue engineering. We first studied the feasibility of PVDF patterning using conventional photolithography, soft lithography and microcontact printing. The fabricated patterns were systematically characterized by surface analysis techniques (FTIR, XRD) and used for cell culture studies. Then, we developed a study on electrospinning of PVDF nanofibers. Our results showed that the fabricated PVDF nanofibers were compatible with cell-based assays. Finally, we doped electrospun PVDF nanofibers with magnetic nanoparticles, which should make them excitable with a remote magnetic field

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'organisme humain présente de nombreuses constantes de régénération tissulaires et c'est cette caractéristique essentielle qui maintient l'équilibre physiologique. Toutefois, l'existence de lésions importantes provoquée par un déséquilibre interne ou externe peut empêcher l'organisme de s'auto-régénerer. Dans ce cas, l'application des biomatériaux développés pour des applications biomédicales peuvent améliorer le processus de guérison. Pour les applications en tissus durs, les biomatériaux doivent posséder des propriétés similaires aux matrices naturelles tant sur le plan biologique que physico-mécanique. Dans les applications en bioingénierie osseuse, les composites à base de collagène (Col) et d'hydroxiapatite (HA) sont devenus tellement performant qu'ils peuvent être classifiés comme des matériaux biomimétiques. Cette thèse propose la production d'une matrice 3-D poreuse à base d'HA et de Col (50:50wt%). Ce composite réticulé par le glutaraldéhyde a été caractérisé par des différentes techniques et servira de support pour la culture cellulaire. Des cellules estromales ostéoprogénitrices ont été cultivées dans un environnement statique et dynamique (deux vitesse de flux) et leurs capacités de colonisation ainsi que leurs comportements d'adhésion, de prolifération, de différentiation seront observés. A travers les résultats de diffraction de rayons X et de spectroscopie infrarouge, il est possible d'affirmer la présence dans la matrice collagène d'une phase minérale peu cristalline constituée par de l'hydroxiapatite carbonatée du type-B déficiente en calcium. La viabilité cellulaire a été fortement influencée par les systèmes de culture au cours des 21 jours. Les résultats du système dynamique en haute vitesse montrent une excellente capacité du composite à supporter les processus cellulaires. Les cellules sont capables d'adhérer, de proliférer et de coloniser la matrice tridimensionnelle.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’épithélium intestinal, siège de l’absorption des (micro)-nutriments est aussi le premier système de défense de l’organisme. Un déséquilibre dans l’homéostasie peut être à l’origine d’une réaction inflammatoire associée à des défauts de la barrière intestinale et de la fonction immunitaire, ainsi qu’une malabsorption des nutriments, comme rencontré dans les MICI (Maladies Inflammatoires Chroniques de l’Intestin), dans les stratégies de fortification en micronutriments et les pathologies non transmissibles (obésité). Il est donc important de trouver des moyens d’action, via l’alimentation par exemple, pour prévenir ou au minima réduire, les conséquences nutritionnelles et pathologiques de l’inflammation intestinale, et de comprendre les mécanismes impliqués. Parmi les modèles d’études de l’intestin, les modèles in vitro de culture cellulaire sont de plus en plus utilisés et permettent d'évaluer les mécanismes moléculaires d'une manière simple et reproductible et de réduire l'expérimentation animale.Dans ce contexte et dans le but d’étudier l’interaction de composés bioactifs de l’alimentation avec l’intestin en état d’inflammation, le premier objectif de ce travail de thèse a été la mise au point d’un modèle in vitro d’intestin enflammé associant en co-culture deux lignées intestinales humaines : les Caco-2 TC7 (entérocytes) et HT29-MTX (cellules caliciformes) et une lignée immunitaire de macrophages (THP1). Plusieurs marqueurs d’inflammation ont été évalués et nous avons pu montrer que le modèle de tri-culture répondait à un stimulus inflammatoire (LPS/IFNγ), par une augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL6 et IL8) et d’enzymes (INOS et COX2) ainsi que l’expression de leurs gènes. Par ailleurs, une augmentation de la perméabilité épithéliale via une altération des jonctions serrées (TJs) a également pu être mise en évidence ainsi qu’une surproduction de mucus, lesquels sont des caractéristiques reconnus d’inflammation.Le deuxième objectif était d’étudier l’interaction de la β-cryptoxanthine (BCX), caroténoïde des agrumes, lipophile et anti-oxydant, avec le modèle enflammé. Nous avons utilisé pour solubiliser la BCX deux types de micelles (artificielles et physiologiques) et étudié les marqueurs d’inflammation. Bien qu’il semble d’après les résultats préliminaires que les micelles de BCX montrent une tendance à diminuer la production de certaines cytokines (IL6 et IL8), le rôle des constituants des micelles (Tween 40 ou sels biliaires/phospholipides) dans ce phénomène observé et dans la perméabilité épithéliale reste à clarifier par la suite. / The intestinal epithelium, main place of the absorption of (micro)-nutrients is also the first body's defense system. An imbalance in homeostasis can lead to an inflammatory reaction associated with defects in the intestinal barrier and immune function as well as malabsorption of nutrients, as seen in IBD (Inflammatory Bowel Diseases), in micronutrient fortification strategies and noncommunicable diseases (obesity). It is therefore important to find ways of action, for example through diet, to prevent or at least reduce the nutritional and pathological consequences of intestinal inflammation, and to understand the mechanisms involved. Among intestinal models, in vitro cell culture models are increasingly used and allow to evaluate the molecular mechanisms in a simple and reproducible way and to reduce animal experimentation.In this context and in order to study the interaction of dietary bioactive compounds with the intestine in state of inflammation, the first objective of this work was the development of an in vitro model of inflamed intestine combining in co-culture two human intestinal cell lines: Caco-2 TC7 (enterocytes) and HT29-MTX (goblet cells) and an immune cell line of macrophages (THP1). Several inflammation markers were evaluated and we were able to show that the tri-culture model responded to an inflammatory stimulus (LPS / IFNγ), by increasing the production of pro-inflammatory cytokines (TNF-α, IL6 and IL8) and enzymes (INOS and COX2) as well as the expression of their genes. In addition, an increase of epithelial permeability via tight junctions (TJs) alteration has also been demonstrated, as well as overproduction of mucus, which are recognized inflammation characteristics.The second objective was to study the interaction of β-cryptoxanthin (BCX), a lipophilic and antioxidant carotenoid of citrus, with the inflamed model. To solubilize BCX, we used two types of micelles (artificial and physiological) and studied markers of inflammation. Although it appears from the preliminary results that BCX micelles show a tendency to decrease the production of some cytokines (IL6 and IL8), the role of micelle constituents (Tween 40 or bile salts / phospholipids) in the phenomenon observed and in the epithelial permeability remains to be therefore clarified.