L'objectif de ce travail est de développer les applications du palpeur acoustique, dédié à la mesure d'élasticité des tissus biologiques. La validation de cet outil dans des matériaux d'études étant établie, deux applications in vivo de cet outil sont présentées. Tout d'abord sur les muscles, où la relation linéaire entre l'activité électrique du biceps et son module élastique est démontré. Puis sur la peau, où la grande différence d'élasticité entre le derme et l'hypoderme est observée. Ensuite, cette méthode, connue sous le nom « d'élastographie impulsionnelle », est adaptée selon une approche théorique et expérimentale, à l'estimation de nouveaux paramètres tels, l'anisotropie ou la non linéarité. Ainsi nous montrons que le coefficient d'anisotropie peut atteindre un facteur 16 sur les muscles in vivo et que la grande différence d'ordre de grandeur observée entre les coefficients élastiques du second ordre (m<

Le Syndrome d’Ehlers-Danlos classique (EDSc) est une maladie génétique du tissu conjonctif lié, dans 90% des cas, à des mutations sur les gènes du collagène V (COLV). Elle se caractérise par une peau fine, vulnérable et hyper-extensible, des défauts de cicatrisation et une hypermobilité articulaire. Afin d’établir un lien entre le génotype et le tableau clinique des patients, j’ai étudié l’impact de mutations identifiées sur le N-propeptide de la chaine α1 de COLV, particulièrement la mutation S254L associée à un syndrome chevauchant EDSC/UCMD (Dystrophie Musculaire Congénitale d’Ullrich), sur la maturation de COLV, la production et l’organisation de la matrice extracellulaire (MEC), et sur l’intégrité et la fonction des fibroblastes du derme.J’ai ainsi montré que seule la mutation S254L abolit le clivage BMP-1 du N-propeptide, étape importante de la maturation de COLV. Le COLV muté est normalement sécrété dans la MEC qui va toutefois présenter une organisation anarchique des fibres de collagène et du réseau de collagène VI. À l’aide de tests de blessure sur couche cellulaire, j’ai observé que les fibroblastes EDSc (fb/EDSc) et S254L (fb/SL) ont un niveau de cicatrisation inférieur à celui observé chez les fibroblastes sains (fb/WT). Ce défaut de recouvrement est associé à des défauts de migration et à un plus faible niveau de prolifération. De plus, les fb/SL ont une surface d’adhésion inférieure à celle des fb/WT. J’ai également observé une augmentation du flux autophagique chez les fb/EDSc et fb/SL par rapport aux fb/WT. L’autophagie des fb/SL, contrairement au fb/EDSc, n’est pas associée à un stress du réticulum endoplasmique mais à la mitophagie, un mécanisme permettant la dégradation spécifique des mitochondries qui sont altérées chez les fb/SL.Mon étude portant sur les mutations du N-propeptide a ainsi permis de caractériser certains des processus biologiques associés à la pathogénèse de l’EDSc et ceux spécifiquement liée au syndrome chevauchant EDS/UCMD. / Classic Ehlers-Danlos syndrome is a heritable connective tissue disorder, characterized by fragile and hyperextensible skin, and joint hypermobility. 90% of patients harboured a mutation in the COL5A1 gene, which encode the pro α1(V) chain of the collagen V, that could assemble with the pro α2(V) chain to form the predominant isoform of collagen V, the heterotrimer α1(V) ₂ α2(V). This isoform is expressed in bones, skin and tendons and is able to control collagen fibrillogenesis. Here we described for the first time a mutation, localized in the BMP-1 cleavage site on the α1(V) chain in a patient exhibiting muscular contractures and weakness, an abnormal skin and problems with nerve conductions, which could remind an UCMD pathology, which is normally due to mutations in the collagen VI molecule. We first showed that this new mutation totally abolished the maturation of the pro α1(V) chain by the BMP-1 enzyme but didn’t affect the secretion of the collagen V in the ECM. Analysis of fibroblasts from this patient showed that the collagen V is secreted but that the collagen fibrils are not correctly organized in the ECM of the cells. Our analysis also revealed that fibroblasts migration is affected, compared to wild-type cells and that number, area and length of vinculin-containing focal adhesion are reduced. Interestingly, there is an increase of the autophagic flux in those cells, associated with mitophagy but without ER stress. These data highlight that a mutation in the COL5A1 gene could leads to a new pathology in which skin, muscle and nerves are affected.

Le travail présenté dans le manuscrit concerne la conception d'un dispositif médical de classe III pour des applications en ingénierie tissulaire du derme et du disque intervertébral.Il s'agit d'une solution aqueuse de chitosane, stérilisée par autoclave, et dont le pH et l'osmolarité ont été ajustés selon un procédé de dialyse classique. Cette solution possède des propriétés de gélification in situ innovantes, ce qui lui confère de très bonnes propriétés mécaniques quelques minutes après l'injection, sans l'utilisation d'agents de réticulation mais de façon modulable en fonction de la concentration en polymère. De plus, cette solution possède une bonne injectabilité favorisant le développement d'une technique d'implantation mini-invasive pour la régénération du derme et du disque intervertébral. Un critère de performance rhéologique a notamment été mis au point afin de relier l'injectabilité aux propriétés mécaniques de l'injectât (dermal filler).Les propriétés mécaniques de l'injectât gélifié doivent être comparables au tissu natif en particulier pour le dermal filler mais aussi pour le disque intervertébral. Le comportement mécanique viscoélastique du disque intervertébral a été évalué par des essais de relaxation de contraintes et modélisé avec un modèle de Maxwell solide à trois branches. Ces essais ont été conduits sur des disques sains, ayant subi une altération de structure (fenestration) et après l'injection de biopolymères.La solution de chitosane a été injectée (i) dans le tissu cutané de deux modèles animaux : le porc et le rat et (ii) dans le disque intervertébral de deux modèles animaux : le porc et le lapin. La biocompatibilité ainsi que la réponse biologique de solutions/gels physique de chitosane in vivo ont été validées pour tous ces modèles animaux / This work deals with the conception of a class III medical device for applications in tissue engineering of dermis and intervertebral disc.This device consists in an aqueous chitosan solution, sterilized by autoclaving, with pH and osmolality adjusted by a dialysis process. This chitosan solution shows in situ gelation ability with a post-injection increase of mechanical properties. This feature is related to polymer concentration, gelation time, and is performed without external cross-linking agent. In addition, the solution exhibits a good injectability allowing the development of minimally invasive techniques to treat dermis and intervertebral disc diseases. A rheological performance criterion was defined linking injectability to mechanical properties of the implant (dermal filler).Mechanical properties of gel implant formed in contact with body fluids, in situ, have to be similar to that of native tissues. The viscoelastic behavior characterization of intervertebral disc was performed using stress relaxation and was modeled using a generalized solid Maxwell model (composed of three Maxwell elements). The tests were performed on healthy disc, fenestrated discs and after biopolymers injection.Chitosan solutions were injected into (i) porcine and rat cutaneous tissue and (ii) porcine and rabbit intervertebral discs. The biocompatibility and biofunctionality of chitosan solutions and physical hydrogels was evidenced in vivo for all animals

Pacientes submetidos ao tratamento cirúrgico da obesidade mórbida apresentam perda ponderal acentuada e dismorfismo corporal e, com frequência, solicitam cirurgias plásticas visando um contorno corporal mais adequado. Os resultados dessas cirurgias plásticas são, em parte, limitados pela qualidade da pele resultante do grande emagrecimento. O presente estudo observacional teve como objetivo comparar fragmentos de pele da região epigástrica de 20 pacientes após perda ponderal acentuada consequente à cirurgia bariátrica com 20 pacientes portadores de obesidade mórbida, no sentido de analisar as alterações estruturais da pele como consequência do emagrecimento. A análise histomorfométrica foi realizada sobre o sistema colagênico através da metodologia Picrossírius/luz polarizada, e sobre o sistema elástico através da metodologia resorcinafucsina de Weigert. Foram observados, a redução das fibras colagênicas grossas (p=0,048); o aumento das fibras colagênicas finas (p=0,0085); e o aumento da densidade das fibras elásticas (p=0,0000009033) no grupo de pacientes emagrecidas. Não houve diferença entre os grupos quanto à média de idades (p=0,917) e quantidade total de fibras colágenas (p=0,3619). Os resultados evidenciaram as alterações estruturais da derme decorrentes do emagrecimento acentuado, demonstradas por meio do remodelamento colagênico, com a consequente redução das fibras espessas, organizadas, estruturadas e direcionadas em prol do aumento de fibras finas, desalinhadas e frouxamente dispostas, isso em associação ao aumento da elasticidade da pele. Isto explica cientificamente a já estabelecida percepção clínica das alterações cutâneas dos pacientes emagrecidos após cirurgias bariátricas, apresentando menor resistência e maior flacidez, quando comparadas ao período anterior ao emagrecimento / Post-bariatric patients develop body contour deformities and need plastic surgery procedures for reduction of excess skin and subcutaneous tissue. The results of these contouring procedures are typically limited by the poor quality of the skin. This observational study compared the epigastric skin of 20 post-bariatric with massive weight loss women with 20 women with morbid obesity through histomorphometric analysis of collagen fibers (picrosiriuspolarization) and elastic fibers (Weigert\'s resorcin-fuchsin). A reduction of thick collagen fibers (p=0.048), increase of thin collagen fibers (p=0.0085) and increase of the density of elastic fibers (p=0.0000009) were observed in the group of post-bariatric patients. There was no difference between the groups for mean age (p=0.917) and the total amount of collagen fibers (p=0.3619). These results represent structural changes in the dermis due to the massive weight loss once it demonstrates collagen modifications with reduction of thickness, organized and structured fibers, increase of thin, misaligned and disarranged fibers, and augmentation of the density of elastic fibers. This brings the scientific explanation for the established clinical perception that the skins of post-bariatric patients are less resistant and with more laxity when compared with what they were before the bariatric surgery

Depuis plus d’une cinquantaine d’années, de formidables avancées ont été initiées dans le domaine de l’ingénierie tissulaire cutanée menant à la reconstruction in vitro de substituts de peau. La plupart sont des substituts dermiques destinés à être utilisés comme aide à la cicatrisation des plaies aigües et chroniques en complément des traitements de greffes conventionnels ainsi que pour l’augmentation des tissus mous. Bien qu’un nombre croissant de patients aient pu bénéficier de ces matrices dermiques, leur application clinique reste encore restreinte, en raison de leur coût élevé mais également à cause de résultats cicatriciels parfois peu satisfaisants. Par conséquent, il reste un défi de taille, celui de développer des substituts dermiques stimulant activement la cicatrisation, présentant un faible coût de production, sans propriétés antigéniques et possédant des propriétés mécaniques adaptées. Dans ce cadre, les hydrogels à base de fibrine constituent des candidats prometteurs, en particulier en raison du rôle central de cette protéine dans la cicatrisation. Le principal inconvénient est qu’à concentration physiologique, ces hydrogels sont faibles mécaniquement, ce qui les rend difficilement manipulables. L’objectif de cette thèse a été la mise au point ainsi que la caractérisation de différents hydrogels destinés à être utilisés comme substituts dermiques. Ces derniers présentent l’avantage d’associer les propriétés biologiques de la fibrine avec les propriétés mécaniques d’un polymère synthétique, le polyéthylène glycol dans une architecture de réseaux interpénétrés de polymères (RIP). Les résultats obtenus ont permis : - de confirmer les propriétés physico-chimiques des RIP développés initialement par nos collaborateurs de l’université de Cergy-Pontoise, - de valider en trois étapes (in vitro, ex vivo puis in vivo) la biocompatibilité de ces nouvelles matrices, destinées à être utilisées comme supports de culture 2D et pour l’augmentation des tissus mous, - d’élaborer et de caractériser des matrices macroporeuses, optimisées pour la culture 3D de fibroblastes de dermes humains. / Over the past five decades, we assisted in extraordinary advances in the field of skin tissue engineering which led to the in vitro reconstruction of a wide range of skin substitutes. Most of them are dermal substitutes: Their clinical application ranges from treating acute and chronic wounds to soft tissue augmentation. Although increasing numbers of patients have been treated with dermal substitutes, their clinical application has been limited by their substantial cost and some poor healing outcomes. Hence, there is still a challenge to produce a dermal substitute which enhance sufficiently wound healing. To this end, the substitute should exhibit suitable properties for enabling the repair process. Other requirements such as excellent biocompatibility, minimal antigenicity, ease to handle and cost-effective production are also essential. In this context, fibrin hydrogels constitute promising candidates for skin tissue engineering since fibrin fibers form a physiological and provisional backbone during wound healing. However, the poor mechanical properties of fibrin-based hydrogels at physiological concentration are an obstacle to their use. In this study, our aim was to design and characterize mechanically reinforced fibrin-based hydrogels by combining the intrinsic properties of a fibrin network with the mechanical features of a polyethylene glycol network using an interpenetrating polymer network (IPN) architecture. They are intended to be used as dermal scaffolds. The results obtained in this thesis: - Confirmed the suitable physico-chemical properties of IPN, first developed by our partner of the University of Cergy-Pontoise. - Validated their biocompatibility using a three-step approach (in vitro, ex vivo and in vivo assays). - Led to the synthesis and characterization of a new type of fibrin-based macroporous matrices, optimized for 3D dermal fibroblast culture.

La peau est un organe capable de se régénérer et de cicatriser. Elle constitue la première barrière de protection de notre organisme contre les agressions physico-chimiques extérieures. Depuis plusieurs décennies des recherches ont été menées pour maîtriser la culture du derme pour plusieurs applications telles que la greffe des grands brulés. L’aspect technologique de ce domaine a fait l’objet de plusieurs travaux. Dans les années 2000, l'équipe de notre laboratoire a proposé la méthode de culture du derme associée à des microsystèmes en silicium. C’est l’unique méthode actuelle qui permet la mesure des forces isométrique du derme équivalent lors de sa culture.Dans une première étude, nous avons proposé des nouvelles méthodes de mesure des forces isométriques qui s’exercent dans des peaux reconstruites en culture entre deux lames de silicium afin de fabriquer un bio-dispositif miniaturisé à faible coût. Ainsi, les dimensions optimales ont été calculées et des nouvelles lames ont été fabriquées. L’optimisation que nous avons retenue est relative à l’amélioration de la sensibilité de la mesure des forces. Afin de quantifier le fléchissement de lames due aux forces isométriques appliquées par le derme en culture, nous avons opté pour la mesure des déplacements des lames sous l’effets des forces isométriques, à l’aide d’ondes acoustiques de surface (SAW). Ce choix se justifie par la simplicité de l’intégration des transducteurs interdigités qui génèrent les ondes acoustiques, de la possibilité d’utiliser une interrogation sans fils et la réalisation physique de l’intercorrélation des ondes générées.A l’aide de simulation nous avons identifié les déformations des ondes et les écarts de fréquence qu’elles provoquent. En effet, la dissymétrie de la courbe d’intercorrélation des signaux transmis et reçus, par les transducteurs interdigités, est intiment liée à l’écart de fréquence de l’onde reçue. Nous avons démontré que le fléchissement engendre bien la dissymétrie dans l’axe du temps qui peut être mesurée plus précisément dans les limites d‘échantillonnage. Deux démonstrateurs sont modélisés et fabriqués dans la salle blanche afin de valider l’instrumentation et le principe de transduction d’un signal chirpé avec une onde acoustique de surface. Les résultats obtenus montrent que la méthode de mesure à l’aide d’une onde acoustique nous permet de faire de mesure de force mais dans une gamme d’intensité plus élevée que celle attendue. Par la suite, nous avons étudié la méthode de mesure de forces par les capteurs à base de piézorésistances. Sachant que la technique est basée sur la variation de résistivité du matériau déformé, nous avons décidé de replacer les grilles de lame prévue pour l’accrochage du derme en culture par le matériau piézorésistif implanté sur les micro poutres. Afin d’améliorer la résolution de détection de faibles forces une série de calcul et de simulations de la position et les dimensions du matériau piézorésistif et des micropoutres sont effectués et présentés. Une autre étude que nous avons menée en parallèle concerne le développement d’une instrumentation embarquée permettant de suivre la croissance du derme en culture basé sur un système de vision. Vu les conditions strictes de notre cahier de charges qui exigeait la portabilité et l’autonomie de système final, nous avons prévu le développement d’un système de vision embarqué basé sur un module de caméra et une carte FPGA. La caméra à haute définition montée sur le système de boite de culture finale avec un objectif permet de prendre des images de fluorescences des cellules en culture. / The skin is an organ which can regenerate and heal. It is the first shield of protection of our body against external physico-chemical aggression. For several decades, researches have been conducted to control the dermis culture for several applications such as grafting large burns. The technological aspect of this area has been the subject of several works. In the 2000s, the team of our laboratory proposed the dermis culture method associated with silicon microsystems. This is the only current method that allows the measurement of isometric forces of the equivalent dermis during its culture.In a first stage of study, in order to produce a miniaturized and low-cost bio-device, we proposed new methods to measure isometric forces in reconstructed skins in culture between two silicon beams. Thus, the optimal dimensions were calculated and new beams were fabricated. The chosen optimization is related to improve the sensitivity of the force measurement. To quantify the deflection of the beams due to the isometric forces applied by the dermis in culture, we opted for the measurement of the displacements of the beams under the influence of the isometric forces by using surface acoustic waves (SAW). This choice is justified by the simplicity of the integration of the interdigital transducers (IDT) that generate the SAW, the possibility of using a wireless interrogation and the physical realization of the cross-correlation of the generated waves.Using simulation, we have identified the frequency deviations caused by wave deformations. Indeed, the dissymmetry of the cross-correlation curve of the signals generated and received by IDT is closely related to the frequency deviation of the received wave. We have evidenced that the beam deflection generates the dissymmetry in the time axis which can be measured more precisely within the limits of sampling. Two demonstrators were designed and manufactured in the clean room to validate the instrumentation and the principle of transducing a chirped signal with a SAW. The obtained results show that the proposed SAW-based force measuring method allows us to measure force, but in a higher intensity range than expected. Subsequently, we studied the method of force measurement by piezoresistors. Considering that the technique is based on the variation of resistivity of the deformed material, we decided to replace the silicon grids provided for the attachment of the dermis in culture by the piezoresistive material implanted on the silicon micro-beams. To improve the low-resolution detection, a series of calculations and simulations of the positions and the dimensions of the piezoresistive material and the micro-beams have been carried out and presented. Another study that we conducted in parallel concerns the development of an on-board instrumentation to monitor the growth of the dermis in culture based on a vision system. Considering of the strict conditions of our specifications that required the portability and autonomy of the final system, we developed an embedded vision system based on a camera module and a FPGA card. The high definition camera mounted on the system of final culture box with a lens allows to take fluorescence images of cells in culture.

Pacientes submetidos ao tratamento cirúrgico da obesidade mórbida apresentam perda ponderal acentuada e dismorfismo corporal e, com frequência, solicitam cirurgias plásticas visando um contorno corporal mais adequado. Os resultados dessas cirurgias plásticas são, em parte, limitados pela qualidade da pele resultante do grande emagrecimento. O presente estudo observacional teve como objetivo comparar fragmentos de pele da região epigástrica de 20 pacientes após perda ponderal acentuada consequente à cirurgia bariátrica com 20 pacientes portadores de obesidade mórbida, no sentido de analisar as alterações estruturais da pele como consequência do emagrecimento. A análise histomorfométrica foi realizada sobre o sistema colagênico através da metodologia Picrossírius/luz polarizada, e sobre o sistema elástico através da metodologia resorcinafucsina de Weigert. Foram observados, a redução das fibras colagênicas grossas (p=0,048); o aumento das fibras colagênicas finas (p=0,0085); e o aumento da densidade das fibras elásticas (p=0,0000009033) no grupo de pacientes emagrecidas. Não houve diferença entre os grupos quanto à média de idades (p=0,917) e quantidade total de fibras colágenas (p=0,3619). Os resultados evidenciaram as alterações estruturais da derme decorrentes do emagrecimento acentuado, demonstradas por meio do remodelamento colagênico, com a consequente redução das fibras espessas, organizadas, estruturadas e direcionadas em prol do aumento de fibras finas, desalinhadas e frouxamente dispostas, isso em associação ao aumento da elasticidade da pele. Isto explica cientificamente a já estabelecida percepção clínica das alterações cutâneas dos pacientes emagrecidos após cirurgias bariátricas, apresentando menor resistência e maior flacidez, quando comparadas ao período anterior ao emagrecimento / Post-bariatric patients develop body contour deformities and need plastic surgery procedures for reduction of excess skin and subcutaneous tissue. The results of these contouring procedures are typically limited by the poor quality of the skin. This observational study compared the epigastric skin of 20 post-bariatric with massive weight loss women with 20 women with morbid obesity through histomorphometric analysis of collagen fibers (picrosiriuspolarization) and elastic fibers (Weigert\'s resorcin-fuchsin). A reduction of thick collagen fibers (p=0.048), increase of thin collagen fibers (p=0.0085) and increase of the density of elastic fibers (p=0.0000009) were observed in the group of post-bariatric patients. There was no difference between the groups for mean age (p=0.917) and the total amount of collagen fibers (p=0.3619). These results represent structural changes in the dermis due to the massive weight loss once it demonstrates collagen modifications with reduction of thickness, organized and structured fibers, increase of thin, misaligned and disarranged fibers, and augmentation of the density of elastic fibers. This brings the scientific explanation for the established clinical perception that the skins of post-bariatric patients are less resistant and with more laxity when compared with what they were before the bariatric surgery