La fibrose hépatique est un problème de santé publique. Cette pathologie est caractérisée par une accumulation excessive de matrice extracellulaire, composée principalement de collagène, augmentant la rigidité du foie. Environ 90% des hépatocarcinomes se développent sur un foie fibrotique / cirrhotique, laissant présager une relation entre la rigidité tissulaire et le développement tumoral. Pour étudier le rôle des forces exercées par la matrice extracellulaire sur le phénotype des cellules hépatiques, nous avons développé un modèle de culture 3D de cellules hépatiques dans des gels de collagène de rigidités variables. Dans ces conditions, les cellules hépatiques présentent une forte prolifération et un maintien de la différenciation dans les matrices les plus rigides. En parallèle, les cellules hépatiques transformées peuvent modifier la matrice de collagène pour former des signatures de collagène TACS (Tumor Associated Collagen Signatures). Une analyse des voies de signalisation impliquées dans la formation des TACS 3 nous a permis de déterminer 2 voies indispensables pour ces mécanismes: MEK/ERK et MLCK. Le bon maintien des fonctions différenciées et de biotransformation des cellules hépatiques font des cultures 3D en gel de collagène un excellent modèle pour des applications en biotechnologie. Nous avons également développé une technique de quantification standardisée et automatisée du collagène, dans un modèle murin de fibrose hépatique, par utilisation de la microscopie SHG, qui permet de détecter de faibles variations de quantité de collagène. Cette technique permet également de caractériser qualitativement, après analyse d'images, le collagène et de renforcer la discrimination entre les différents stades fibrotiques. La caractérisation des cross-links de collagène, par cette approche, est actuellement en cours d'étude et permettrait d'appréhender les capacités de réversion. / Liver fibrosis is a real public health problem. This pathology is characterized by an excessive accumulation of extracellular matrix, mainly composed of collagen, increasing liver rigidity. Approximately 90% of hepatocellular carcinomas develop from a fibrotic/cirrhotic liver, suggesting a relationship between tissue rigidity and tumor development. To investigate the role of stiffness on the hepatic phenotype, we have developed a 3D culture model of collagen gels of varying stiffness. Our results show a better survival, an increase of proliferation and differentiation of liver cells in rigid matrices. In addition, the cells are able to modify the collagen matrix and to form collagen signatures TACS (Tumor Associated Collagen Signatures). An analysis of the signaling pathways involved in the formation of TACS 3 allowed us to determine that 2 pathways are important for these mechanisms: MEK/ERK and MLCK. The high level of differentiated functions and biotransformation of the hepatic cells make 3D collagen cultures an excellent model for applications in biotechnology. Using the SHG microscopy, we have also developed a standardized and automated quantification of collagen to detect small amount of collagen in a mouse liver fibrosis model. This technique allows us to characterize qualitatively the collagen and to strengthen the discrimination between fibrotic scores. The characterization of the collagen cross-links by this approach is under study and would allow to study the reversion capacity.

Drug- and cell-based strategies for treating heart disease, including myocardial infarction, face significant roadblocks on the path to the clinic, a primary obstacle being the lack of information-rich in vitro human model systems. Conventional model systems are hampered by at least one of three fundamental limitations which include a) the lack of an in vivo-like microenvironment specifically engineered for the input cell population, b) a relatively low-throughput assays, and c) the low-content nature of output parameters. We describe an integrated computational, design, and experimental strategy for the rational design of a microfabricated high-content screening platform which we term the Cardiac MicroWire (CMW) system. Within this system, we recapitulate the basic microenvironment found in the heart, one which integrates cardiomyocytes, non-myocytes, the extracellular matrix, and dynamic electromechanical forces. Our results highlight the CMW system’s potential as a powerful discovery tool for screening small molecules and transplantable cells toward heart regeneration therapies.

Drug- and cell-based strategies for treating heart disease, including myocardial infarction, face significant roadblocks on the path to the clinic, a primary obstacle being the lack of information-rich in vitro human model systems. Conventional model systems are hampered by at least one of three fundamental limitations which include a) the lack of an in vivo-like microenvironment specifically engineered for the input cell population, b) a relatively low-throughput assays, and c) the low-content nature of output parameters. We describe an integrated computational, design, and experimental strategy for the rational design of a microfabricated high-content screening platform which we term the Cardiac MicroWire (CMW) system. Within this system, we recapitulate the basic microenvironment found in the heart, one which integrates cardiomyocytes, non-myocytes, the extracellular matrix, and dynamic electromechanical forces. Our results highlight the CMW system’s potential as a powerful discovery tool for screening small molecules and transplantable cells toward heart regeneration therapies.

Le glioblastome est un cancer du cerveau très agressif dont les thérapies actuelles n’augmentent que très peu la durée de vie. Dans cette thèse, nous étudions un nouveau traitement par effet magnéto-mécanique de particules (TEMMP). Un champ magnétique rotatif à faible fréquence (20 Hz) est appliqué pour faire vibrer des particules magnétiques en contact avec les cellules cancéreuses. Les particules développées sont produites par une approche top-down en salle blanche. Les disques de permalloy utilisés présentent une configuration en vortex avec une faible rémanence et une bonne dispersion en suspension. Des particules multicouches de Co/Pt avec une anisotropie perpendiculaire et des vortex de permalloy en forme d’ellipses sont aussi étudiés. L’efficacité du TEMMP est évaluée in-vitro sur des cellules de glioblastome et les différents paramètres sont optimisés. Une forte diminution du nombre de cellules après traitement est alors observée et le comportement des cellules restantes est affecté. Le TEMMP est ensuite adapté pour une étude in-vivo dans un modèle orthotopique de glioblastome chez la souris nude. L’injection des particules en intra-tumoral est mise au point. Les tissus sont peu affectés par le TEMMP comparé à une injection de particules, et une faible augmentation de la survie est observée. Pour mimer les propriétés mécaniques du cerveau de manière plus pertinente, un modèle in-vitro 3D est alors développé et validé. Conçu avec des sphéroïdes de cellules pris dans un gel d’agarose, ce modèle apporte des pistes d’optimisation. / Glioblastoma is a brain cancer with a very poor prognosis. Existing therapies improve only slightly the median survival. In this work, we study a new treatment by magneto-mechanical actuation of particles (TMMAP). A low frequency (20 Hz) rotating magnetic field is applied to stimulate magnetic particles localized near cancer cells. Magnetic particles are produced by a top-down approach in clean room. Permalloy disks with a vortex configuration have a low remanence and are well dispersed in suspension. Multilayers of Co/Pt with a perpendicular anisotropy and permalloy vortex particles with an ellipse shape are also studied. TMMAP efficiency is tested in-vitro on glioblastoma cell line and the parameters are optimized. A huge diminution of living cells and an affected behavior of the remaining cells are observed after treatment. TMMAP is then adapted to an in-vivo study on glioblastoma orthotopic model on nude mice and the intratumoral injection of the particles is developed. Few differences are observed between tissues submitted to TMMAP or injected with particles, and survival is slightly increased. To mimic mechanical properties of the brain in a more relevant model, an in-vitro 3D model is proposed and validated. Based on cells grown as a spheroid and encapsulated in an agarose gel, this model brings optimization tracks.