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.

Le cartilage a une capacité de régénération très limitée car il n'est pas vascularisé. Laréparation de ce tissu est un défi et les techniques chirurgicales actuelles sont insatisfaisantes à longterme. Le cartilage est donc un bon candidat pour l'ingénierie tissulaire. La transplantation dechondrocytes autologues (TCA) a été la première thérapie cellulaire développée en rhumatologie maiscette procédure implique une amplification des cellules qui aboutit à une perte du phénotypechondrocytaire (perte de l'expression du collagène de type II, protéine majoritaire du cartilage), auprofit d'un phénotype fibroblastique (caractérisé par l'expression du collagène de type I, retrouvé dansles tissus fibreux). La TCA conduit donc à une greffe de chondrocytes dédifférenciés produisant unfibrocartilage, dont les propriétés mécaniques sont inférieures à celles du cartilage articulaire.Aujourd'hui, les agences de santé au niveau international s'accordent pour dire que cette procédurenécessite d'être améliorée, par un meilleur contrôle du phénotype cellulaire et l'utilisation debiomatériaux pour mieux combler les lésions articulaires. Il s'agit donc de passer de la thérapiecellulaire à l'ingénierie tissulaire du cartilage.L'objectif de nos travaux a été d'évaluer la capacité d'un gel innovant de peptides autoassemblants,l'hydrogel IEIK13, à jouer le rôle de support pour des chondrocytes humains afin qu'ilsproduisent une matrice cartilage sous l'action de facteurs chondrogéniques. L'objectif visé a été lacréation d'un gel cartilage implantable par arthroscopie. Le défi a été de surmonter la dédifférenciationdes chondrocytes inhérente à leur amplification et incontournable pour augmenter le réservoircellulaire. L'amplification de chondrocytes humains a été réalisée en présence de FGF-2 et d'insuline(cocktail FI) puis leur redifférenciation a été induite en gel IEIK13 sous l'action de BMP-2, d'insuline etd'hormone T3 (cocktail BIT). C'est la combinaison sélective des deux cocktails qui permet la séquencedédifférenciation-redifférenciation. Le phénotype des chondrocytes et la nature de la matriceextracellulaire synthétisée en gel ont été évalués dans un premier temps in vitro, par des analyses dePCR en temps réel, Western-blots et d'immunohistochimie. Dans un second temps, nous avonstransplanté le gel cartilage dans des lésions articulaires de genou d'un modèle original de primate nonhumain(singe cynomolgus), un type de gros animal dont la posture et le fonctionnement desarticulations s'apparentent à l'homme. Nos études d'imagerie non invasive (telle qu'elle est pratiquéechez l'homme) et immunohistochimiques trois mois après implantation montrent une réparationsatisfaisante des lésions, en comparaison avec les lésions laissées non comblées. L'ensemble de nosrésultats montre pour la première fois que l'hydrogel IEIK13 est un biomatériau favorable pourreconstruire le cartilage et que le primate non-humain est un modèle préclinique unique pour évaluerl'efficacité de l'ingénierie tissulaire du cartilage / Cartilage is not vascularized and presents poor capacity of self-regeneration. Repairing thistissue is a challenge and current surgical techniques are not satisfactory in the long term. Cartilage isthus a good candidate for tissue engineering. Autologous chondrocyte transplantation (ACT) was thefirst cell therapy developed for cartilage repair. This procedure implies amplification of cells whichresults in chondrocyte dedifferentiation (loss of expression of type II collagen, the major protein ofcartilage and acquisition of expression of type I collagen, the major protein found in fibrous tissues).Thus, ACT results in implantation of fibroblastic cells producing fibrocartilage with biomechanicalproperties inferior to native articular cartilage. The international health agencies agree that ACT needsto be improved with better control of the chondrocyte phenotype and use of biomaterials. Therefore,cell therapy of cartilage needs to move towards tissue engineering of cartilage.The objective of our study was to evaluate the capacity of an innovative self-assemblingpeptide (IEIK13) to support cartilage matrix production by human chondrocytes. Our goal was to createa cartilage gel that can be implanted by arthroscopy. A main challenge was to meet the problem ofchondrocyte dedifferentiation induced by cell amplification necessary to increase the cellularreservoir. Amplification of human chondrocytes was performed in the presence of FGF-2 and insulin(cocktail FI), and redifferentiation was subsequently induced in IEIK13 gel with BMP-2, insulin, andtriiodothyronine T3 (cocktail BIT). The specific combination of these two cocktails alloweddedifferentiation-redifferentiation of chondrocytes. The status of the chondrocyte phenotype and thenature of the extracellular matrix secreted in gel were first assessed in vitro by real-time PCR, Westernblottingand immunhostochemistry analyses. With a view of clinical application, we then transplantedIEIK13-engineered cartilages into defects created in knees of an original model of non-human primate(cynomolgus monkey), a type of large animal whose anatomy and biomechanics mimic human. Ournon-invasive imaging analyses and our inmmunohistochemical studies performed three months afterimplantation show correct reparation of the lesions, in comparison with the defects left untreated.Altogether, our results demonstrate for the first time that IEIK13 is a suitable biomaterial for cartilagerepair and that cynomolgus monkey represents a unique preclinical model to evaluate efficiency ofcartilage tissue engineering.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais

Les traitements actuels des lésions osseuses maxillo-faciales ont été éprouvés. La greffe autogène présente les propriétés idéales, mais montre des inconvénients : douleurs chroniques, infection… Certains comblements proposés ne permettent pas une néoformation vasculaire, garante de la viabilité des tissus régénérés pour des lésions importantes. Il faut alors développer des implants avec les caractéristiques recherchées et trouver les moyens de lutter contre le risque infectieux. Ce travail présente les résultats de recherches menées sur la fabrication d’implants nanofibreux mimant la MEC du tissu osseux, dotés d’une porosité favorable à une formation vasculaire et pouvant être fonctionnalisés par des facteurs de croissance / des cellules. Une réflexion éthique est menée sur le développement de ces avancées et sur leurs applications afin de garantir qu’elles constituent un réel progrès pour les patients. Il est aussi montré que l’on peut améliorer la sécurité des soins dans le traitement des lésions osseuses maxillo-faciales en développant des équipements dans le champ de l’hygiène et par la mise en place de procédures visant à évaluer leur efficacité. / Current treatments of maxillofacial bone defects have now been proven. Only the autogenous graft presents the ideal properties but shows complications: chronic pain, infection... Some bone filling techniques that are currently available do not allow the formation of blood vessels, guaranteeing the sustainability of the regenerated tissue for large lesions. It is then necessary to develop implants in that way, and to find ways to fight effectively the risk of infection. This work presents the results of research conducted on the fabrication of nanofibrous implants mimicking the ECM of bone tissue, with a porosity that is favorable to a vascular formation. These implants can be functionalized with growth factors / cells. Ethical considerations are provided on the development of these advances, but also on their applications to ensure that these developments constitute a real progress in the interest of patients. Moreover, this work shows that it is possible to improve the safety of care in the treatment of maxillofacial bone defects, with the development of equipment in the field of hygiene and the establishment of procedures to assess their effectiveness.

Environ 42% de la mortalité infantile dans le monde résulte des cardiopathies congénitales. Un tiers de ces cardiopathies nécessitent la reconstruction de la voie de sortie du cœur droit par des procédures chirurgicales utilisant des dispositifs inertes sans potentiel de croissance. Par conséquence, des réinterventions, parfois nombreuses, sont nécessaires, avec une importante morbi-mortalité. Le projet européen TEH-TUBE a pour objectif de créer un nouveau dispositif implantable de reconstruction de la voie de sortie du cœur droit, sous la forme d’un tube valvé en polymère biorésorbable biofonctionnalisé, afin de permettre la reconstruction in vivo d’une néo-voie de sortie du cœur droit autologue, vivante et douée d’un potentiel de croissance. Ce projet consiste tout d’abord à sélectionner le meilleur couple polymère/biofonctionnalisation en comparant in vitro et in vivo dans modèle expérimental de petit animal différents polymères et techniques de biofonctionnalisation. Dans l’intervalle, le design du tube valvé sera évalué afin de confectionner un dispositif compétent et continent en position de voie de sortie du cœur droit. Une fois ces deux étapes abouties, le tube valvé produit en fonction du couple polymère/biofonctionnalisation préalablement sélectionné sera testé dans un modèle de gros animal en croissance, i.e. l’agneau, afin d’analyser les capacités de régénération in vivo, de compétence hémodynamique et de potentiel de croissance du dispositif. Afin de mettre en place les protocoles de comparaison des polymères et de la biofonctionnalisation, nous avons sélectionné trois polymères biorésorbables de grade non clinique : un polyuréthane [PU], un polyhydroxyalkanoate (le poly(3-hydroxybutyrate-co-3- hydroxyvalerate-co-4-hydroxyvalerate) [PHBVV]), et le polydioxanone [PDO]), ainsi que deux techniques de biofonctionnalisation, par ensemencement de cellules souches de tissu adipeux (adipose-derived stem cells [ADSCs]) ou par greffe peptidique de RGD. Ces polymères ont été testés in vitro (prolifération et viabilités cellulaires d’ADSC ensemencées) et in vivo après la mise en place d’un modèle expérimental de remplacement partiel de veine cave inférieure (VCI) chez 53 rats Wistar (comparaison des trois polymères) et 31 rats imuno-déficients nude (comparaison du meilleur polymère biofonctionnalisé par ADSC ou RGD). Les résultats ont été analysés par cytométrie en flux, test de viabilité cellulaire au MTT, imagerie, histologie, immunohistochimie et ELISA. Le PDO a montré les meilleures propriétés in vitro en termes de viabilité et prolifération cellulaire et a été sélectionné pour l’étape de comparaison des biofonctionnalisation. Six semaines après implantation sur la VCI, les imageries réalisées n’ont pas retrouvé de sténose, de dilatation ou de thrombose au niveau des sites d’implantation des patchs. A trois mois, tous les polymères présentaient une couche continue de cellules endothéliales mais seuls le PDO et le PHBVV présentaient une couche continue de cellules musculaires lisses. Le PU était le siège d’une réaction inflammatoire granulomateuse importante. La comparaison des techniques de biofonctionnalisation par ADSC et RGD n’a pas montré de différence significative, avec une reconstruction de la VCI par un néo-tissu similaire à une paroi de VCI native. Cette première partie a permis non seulement de valider les protocoles in vitro de comparaison des polymères et de mettre au point un modèle animal fiable et reproductible, mais aussi de montrer qu’une biofonctionnalistion peptidique peut être aussi efficace qu’une biofonctionnalisation cellulaire, permettant d’éviter la culture cellulaire et l’ensemencement des dispositifs, potentiellement sources de contamination et de fabrication plus compliquée (...). / Approximately 42% of infant mortality in the world is due to congenital heart diseases (CHD). One third of these CHD require surgical reconstruction of the right ventricular outflow tract (RVOT). Actual available devices for RVOT reconstruction are inerts without growth potential. Therefore, reinterventions are inevitable with a subsequent morbi-mortality.The European TEH TUBE project aims to create a new implantable device for RVOT reconstruction, a bioresorbable polymeric biofunctionnalized valved tube, to allow in vivo reconstruction of a living autologous neo-RVOT with a growth potential. This project aims to select the best polymer/biofunctionnalization couple by comparing in vitro and in vivo in a rat animal model different polymers and biofunctionnalization techniques. In the meantime, the design of the valved tube will be evaluated to produce a competent and continent device for RVOT replacement. Once these two steps will be complete, a valved tube made of the selected polymer/biofunctionnalization couple will be tested in a growing big animal model, i.e. in lambs, to analyse its in vivo regeneration potential, hemodynamic competences and growth potential. Three non-clinical grade bioresorbable polymers : a polyurethane [PU], a polyhydroxyalkanoate (poly(3-hydroxybutyrate-co-3- hydroxyvalerate-co-4-hydroxyvalerate) [PHBVV]), and the polydioxanone [PDO]), and two biofunctionnalization techniques, either by cell seeding of adipose-derived stem cells (ADSC) or by peptide grafting (RGD) were selected to implement the experimental protocol. Polymers were tested in vitro (cellular viability and proliferation of seeded ADSC) and in vivo after implementing an experimental model of partial replacement of the inferior vena cava (IVC) in 53 Wistar rats (polymer comparison) and 31 immuno-deficient nude rats (comparison of biofunctionnalization with ADSC or RGD on the selected polymer). Results were analysed using flow cytometry, cellular viability with the MTT test, imaging, histology, immunohistochemistry and ELISA.PDO displayed the best in vitro properties in terms of cellular viability and proliferation and was selected for the biofunctionnalization comparison step. Six weeks after implantation, imaging of the implanted IVC revealed no stenosis, dilatation or thrombosis in the area of patch implantation. At three months, all polymers presented with a continuous layer of endothelial cells but only PDO and PHBVV polymer had a continuous layer of smooth muscle cells. An important inflammatory granulomatous reaction was encountered with the PU. Comparison of biofunctionnalization by either ADSC or RGD failed to detect any significative difference, with an IVC reconstruction similar to the native IVC architecture.This first part did not only allow to validate both in vitro and in vivo experimental protocols, and implement a reproducible animal model, but also allowed to reveal that peptide biofunctionnalization can be as efficient as cellular biofunctionnalization. This will allow us to avoid cell therapy and cell seeding for the device biofunctionnalization, as it can be source of contamination and harder to produce. The methodological tools thus defined were then used for the next step. As to preserve the required confidentiality of the TEH TUBE project, selection criteria of the clinical grade bioresorbable polymers and their exact composition will not be revealed, and the polymers will be anonymized. Ninety Wistar rats underwent a partial replacement of the IVC, and were distributed in 3 polymer groups of 30 animals each : polymer A, polymer B and polymer C. Five rats of each polymer group were sacrificed two weeks after implantation, the other specimen at 3 months after receiving an imaging of the operated IVC by Doppler echography. No significative stenosis or dilatation was found by echographic examination (...).

Dans le cadre du développement d’un larynx artificiel, les expérimentations sur l’animal et les essais cliniques ont mis en évidence un défaut de ré-épithélialisation de la face endoluminale de la prothèse. Cet épithélium respiratoire est absolument nécessaire pour obtenir un dispositif implantable totalement intégré dans le corps mais également pour la fonctionnalité d’un tel implant. Dans ce travail nous avons développé de nouveaux films d’hydrogels de collagène et d’acide hyaluronique interpénétrés et réticulés pour assurer une repousse épithéliale rapide. Ces films d’hydrogels optimisés ont une résistance suffisante à l’hydrolyse pour limiter leur dégradation précoce une fois implantés. Ils ont été fonctionnalisés par des facteurs de croissance et de différenciation cellulaire libérés de façon progressive avec un résultat objectivé sur la prolifération cellulaire. L’encapsulation de cellules immunitaire et l’utilisation de cytokines dans ces gels permettent également de moduler la réponse inflammatoire vers un processus de cicatrisation plutôt que de rejet. / As part of the development of an artificial larynx, in vivo experiments and clinical trials have revealed a defect in re-epithelialization of the endoluminal side of the prosthesis. This respiratory epithelium is absolutely necessary to obtain an implantable device fully integrated into the body but also for the functionality of such an implant. In this work we have developed patches of interpenetrated and reticulated hydrogels based on collagen and hyaluronic acid to ensure rapid epithelial regrowth. These optimized hydrogel patches have sufficient resistance to hydrolysis to limit their early degradation once implanted. They have been functionalized by growth and cell differentiation factors that are released gradually with an objectified result on cell proliferation. Encapsulation of immune cells and the use of cytokines in these gels also modulate the inflammatory response towards a healing process rather than rejection.

Le but de la conception d’un biomatériau est de mimer les modèles qui puissent être représentatifs de la matrice extracellulaire (MEC) existant in vivo. Cet objectif peut être atteint en associant une combinaison de cellules et des facteurs biologiques à un biomatériau sur lequel ces cellules peuvent se développer pour reconstruire le tissu natif. Dans cet étude, nous avons crée des surfaces bioactives nanostructurées en combinant la nanolithographie et la fonctionnalisation de surface, en greffant un peptide RGD ou BMP-2 (bone morphogenetic protein 2). Nous avons étudié l’effet de cette nanodistribution sur le comportement des cellules souches mésenchymateuses en analysant leur adhésion et différentiation. Nous notons que la nanodistribution des peptides induit une bioactivité qui a un impact sur l’organisation du cytosquelette, la conformation des fibres de stresse de l’actin, la maturation des adhésions focales (AFs), et le commitment des cellules souches. En particulier, l’aire, la distribution, et la conformation des AFs sont affectes par la présence des nanopatterns. En plus, le RGD et le BMP-2 changent le comportement cellulaire par des voies et des mécanismes différents en variant l’organisation des cellules souches et la maturation de leurs AFs. La nanodistribution influence de façon évidente les cellules souches en modifiant leur comportement (adhésion et différenciation) ce qui a contribué et ce qui contribuera à améliorer la compréhension des interactions des cellules avec la MEC. / The aim of biomaterials design is to create an artificial environment that mimics the in vivo extracellular matrix for optimized cell interactions. A precise synergy between the scaffolding material, bioactivity, and cell type must be maintained in an effective biomaterial. In this work, we present a technique of nanofabrication that creates chemically nanopatterned bioactive silicon surfaces for cell studies. Using nanoimprint lithography, RGD and mimetic BMP-2 peptides were covalently grafted onto silicon as nanodots of various dimensions, resulting in a nanodistribution of bioactivity. To study the effects of spatially distributed bioactivity on cell behavior, mesenchymal stem cells (MSCs) were cultured on these chemically modified surfaces, and their adhesion and differentiation were studied. MSCs are used in regenerative medicine due to their multipotent properties, and well-controlled biomaterial surface chemistries can be used to influence their fate. We observe that peptide nanodots induce differences in MSC behavior in terms of cytoskeletal organization, actin stress fiber arrangement, focal adhesion (FA) maturation, and MSC commitment in comparison with homogeneous control surfaces. In particular, FA area, distribution, and conformation were highly affected by the presence of peptide nanopatterns. Additionally, RGD and mimetic BMP-2 peptides influenced cellular behavior through different mechanisms that resulted in changes in cell spreading and FA maturation. These findings have remarkable implications that contribute to the understanding of cell-extracellular matrix interactions for clinical biomaterials applications.

L’ingénierie tissulaire vise à l’élaboration de prothèses biologiques par la régénération ou la culture, in vitro ou in vivo, de tissus ou d’organes. Dans la stratégie de culture in vitro, le développement de nouveaux outils, tels que des bioréacteurs, permettant la culture de cellules ou de tissus sous sollicitations mécaniques spécifiques au tissu est primordial. De plus, l’avancée de cette discipline dans la régénération des tissus nécessite de développer, dès à présent, des méthodes d’évaluation mécanique satisfaisantes permettant de comparer ces néo-tissus aux tissus sains selon des critères de sollicitations physiologiques. En effet, pour parvenir à une bonne évaluation de ces matériaux, il est nécessaire de pouvoir les tester sur des chargements représentatifs des sollicitations physiologiques auxquelles ils sont soumis. Nous avons ainsi, dans un premier temps, conçu et développé un bioréacteur de ligaments permettant la culture de cellules stimulées mécaniquement par des sollicitations cycliques de traction-torsion. Ce bioréacteur a été dimensionné afin de pouvoir obtenir des bio-prothèses de taille comparable aux ligaments et tendons à remplacer (4 à 5 cm de long). Nous avons, dans un deuxième temps, développé un modèle du comportement mécanique global de ces tissus à partir du formalisme thermodynamique développé au sein de notre laboratoire et des observations faites sur des tendons d’Achille de lapin. Ce modèle a pour but d’approfondir la compréhension des structures intervenant de façon prépondérante dans la qualité mécanique de ces tissus ainsi que l’évaluation et l’optimisation des matrices de support et des néo-tissus devant s’y substituer / Tissue Engineering aims to fabricate bio-prostheses by regenerating or culture, in vivo or in vitro, tissues or organs. In the in vitro strategy, developing new tools such as bioréactors which allow the culture of cells or tissues under their specific mechanical solicitations is a huge point. Moreover, the last advances of this discipline in regeneration of tissues require new mechanical model allowing their evaluation and comparison to native tissue under physiological loading. Indeed, in order to obtain a good evaluation of their mechanical quality, it is important to be able to applied mechanical solicitations linked to physiological ones. As a first step, a bioreactor of ligament allowing the culture of cells under mechanical solicitations of cyclic traction-torsion was designed and developed. This bioreactor was sized to potentially obtain a bio-prosthesis comparable to native tissue in term of size (4 to 5 cm long). In a second time, a mechanical model was elaborated based on a thermodynamic formalism developed in our laboratory and the observation made on rabbit Achilles tendons. The goals of this model are to improve our knowledge on the mayor structures involved into the mechanical quality of theses tissues and to evaluate and optimise the scaffolds and neo-tissues of substitution

L'ingénierie tissulaire est une discipline récente aux enjeux ambitieux et prometteurs : la régénération de tissus ou d'organes lésés voire détruits en mettant à profit des connaissances et compétences dans différents domaines à l'interface de la chimie et de la biologie. Pour répondre à la demande d'alternatives aux techniques chirurgicales actuelles de réparation du ligament antérieur croisé, nous avons décidé d'appliquer l'ingénierie tissulaire à ce tissu en associant matrices en polymères dégradables et cellules souches mésenchymateuses (CSM). Dans un premier temps, nous avons donc travaillé à la synthèse de polymères adaptés à l'application en cherchant à mettre l'accent sur l'obtention de propriétés élastiques. De nouveaux élastomères dégradables obtenus par des approches originales de photoréticulation chimique de poly(lactide) (PLA) et de poly(ε-caprolactone) (PCL) par voie nitrène ou thiol-yne ont notamment été développés avec des résultats prometteurs. En parallèle, des copolymères thermoplastiques multiblocs à base de PLA et poloxamine ou poloxamère nous ont permis de mener une étude plus appliquée. Ces copolymères ont en effet montré, en particulier au cours d'une étude de dégradation in vitro de 7 semaines, des propriétés, notamment thermiques et mécaniques, qui en font d'eux des candidats intéressants pour le conception d'une matrice ligamentaire. C'est pourquoi ils ont été utilisés pour la conception de prototypes de matrices de régénération textiles dont les propriétés mécaniques se sont révélées être très proches de celles du ligament. Après avoir démontré l'excellente cytocompatibilité de ces matrices avec des CSM, nous avons finalement mené des expériences de différenciation in vitro de ces CSM et sommes parvenus à favoriser leur orientation vers un phénotype ligamentocytaire, notamment grâce à un procédé de stimulation mécanique cyclique des cellules ensemencées sur les matrices textiles. / Tissue engineering is a recent discipline with ambitious and promising stakes: the regeneration of wounded or destroyed tissues or organs by taking advantage of knowledge and skills in various fields at the interface of chemistry and biology. In order to meet the need for alternatives to current surgical techniques of anterior cruciate ligament repair, we decided to apply the tissue engineering approach to this tissue by associating degradable polymer scaffolds and mesenchymal stem cells (MSCs). At first we worked on the synthesis of biodegradable polymers suitable for the application and focused on getting elastic properties. New degradable elastomers obtained by chemical photocrosslinking of poly(lactide) (PLA) and poly(ε-caprolactone) (PCL) were developed by following nitrene or thiol-yne strategies and yielded promising results. In parallel, a more in depth and practical study was performed with PLA based thermoplastic multiblock copolymers embedding poloxamer or poloxamine. These copolymers exhibited properties that make them attractive candidates for the design of ligament regeneration scaffolds, and especially their thermal and mechanical properties during a 7 week in vitro degradation test. That is why they were used to design prototypes of textile scaffolds whose mechanical properties were found to be very close to the ligament's ones. After demonstrating the excellent cytocompatibility of these scaffolds with MSCs, we finally carried out in vitro differentiation experiments on these MSCs and managed to induce their orientation towards a ligamentocyte phenotype, particularly through a process of cyclic mechanical stimulation of cells seeded on the textile scaffolds.

La lysyl oxydase (LOX) est une enzyme extracellulaire dont le rôle canonique est de catalyser la réticulation des fibres de collagènes et de l’élastine, assurant ainsi l’intégrité des tissus conjonctifs. La LOX agit également dans plusieurs types cellulaires comme régulateur de différents processus biologiques, soulignant des fonctions à la fois extra et intracellulaires. Ces travaux de thèse ont contribué à améliorer la compréhension du rôle de LOX dans l’épiderme, et plus précisément au cours de la différenciation des kératinocytes. Le développement d’un modèle de culture en monocouche à confluence, et d’un modèle tridimensionnel d’épiderme reconstruit ont permis d’aborder l’étude de LOX au cours de l’induction du programme de différenciation des kératinocytes et du processus de différenciation terminale conduisant à la formation d’un épiderme pluristratifié, cornifié et fonctionnel. L’expression de LOX est induite au cours des premières étapes de la différenciation de kératinocytes primaires ainsi que d’une lignée de kératinocytes immortalisés. Grâce à l’établissement de lignées de kératinocytes éteignant l’expression de LOX de façon stable, nous avons mis en évidence l’implication de la protéine LOX, indépendamment de son activité enzymatique, dans la régulation des premières étapes de différenciation des kératinocytes. En absence de LOX, l’initiation du programme de différenciation est perturbée, affectant la différenciation terminale et fonctionnelle des épidermes reconstruits. Ainsi, une régulation fine de l’expression de LOX est nécessaire au déroulement normal du processus de différenciation des kératinocytes, et donc au maintien de l’homéostasie épidermique / Lysyl oxidase (LOX) is an extracellular enzyme that catalyzes the cross-linking of fibrillar collagens or elastin, thereby regulating the structural integrity of connective tissues. Moreover, LOX displays multiple roles in different cell types, acting as a regulator of various biological processes at both extra and intracellular levels. The aim of the present work was to shed light on LOX functions in the epidermis, especially during keratinocyte differentiation. The development of culture models, consisting of confluent monolayers or reconstructed-epidermis allowed us to study LOX functions during the induction of the differentiation program, and furthermore during the terminal differentiation process leading to the formation of a pluristratified, cornified and functional epidermis. LOX expression is induced at the onset of the commitment to differentiation, both in primary and immortalized keratinocytes. Stable silencing of LOX expression affects the induction of the differentiation program and strongly impairs terminal and functional epidermal differentiation in reconstructed-epidermis. Therefore, LOX protein acts during the first steps of keratinocyte differentiation, independently of its enzymatic activity, and is implied for subsequent commitment into terminal differentiation. Taken together, these results suggest that a finely regulated expression of LOX is required for normal keratinocyte differentiation, and thus for maintenance of epidermal