Ce travail a été mené afin d'étudier l'effet du FGF 2 et du TGF-β1 sur les étapes précoces de la régénération dentinaire en utilisant la micro-encapsulation de ces facteurs dans une matrice pour les protéger et contrôler leur libération et ensuite l'application des microparticules obtenues en coiffage pulpaire direct dans un modèle de culture de dents entières. Ce travail consiste d'abord à l'optimisation des moyens techniques mis en oeuvre pour réaliser l'encapsulation du TGFβ1, FGF-2 à l'aide de l'acide poly (lactique-glycolique) PLGA. Les études de la caractérisation colloïdal et physico chimique des microparticules montre que les microparticules gardent leurs caractéristiques physicochimiques après séchage et resuspension dans l'eau. La procèdes optimisé a été ensuite utilisé pour encapsuler les facteurs de croissance. L'encapsulation de FGF-2 et TGF-β1 a été obtenue avec une taille, une efficacité d'encapsulation et une profile de libération adaptés au type d'application choisi. Les études biologiques ne montrent aucun effet toxique des particules sur les fibroblastes pulpaires. Les facteurs de croissance ont gardé leur activité biologique spécifique. Un modèle de culture de dent entier humain a été utilisé pour réaliser l'application de nos microparticules comme un matériau de coiffage dentaire pour confirmer leurs activités biologiques ex-vivo. Ces microparticules peuvent être utiles dans les études des étapes précoces de la régénération dentinaire, l'activation et la migration des cellules progénitrices de la pulpe dentaire

La pulpe dentaire est sujette à des lésions sévères faisant suite à une carie dentaire ou à un traumatisme. La thérapeutique conventionnelle préconisée alors est le traitement endodontique, qui consiste en l'exérèse de la totalité de la pulpe dentaire et le comblement de l'espace pulpaire par un matériau inerte. Ce traitement induit une fragilisation de la dent et une plus grande susceptibilité aux infections. Au cours de ce travail, nous avons mis au point une solution alternative, en proposant le remplacement de la pulpe dentaire lésée par une " pulpe équivalente " constituée de cellules souches mésenchymateuses de la pulpe ensemencées dans une matrice de collagène. Nous avons testé ce substitut pulpaire au travers d'un modèle de pulpotomie de la molaire chez le rat, à savoir l'exérèse de la totalité du parenchyme de la chambre pulpaire et conservation du réseau vasculaire radiculaire, où nous avons implanté des " pulpes équivalentes ". Notre objectif étant notamment de déterminer le devenir des cellules souches pulpaires implantées dans la dent grâce à l'imagerie nucléaire, dans ce contexte de développement d'une thérapie cellulaire. Les cellules ont été marquées à l'111Indium-oxine préalablement à leur implantation. Nous avons montré que le marquage n'avait pas d'incidence sur la viabilité et la prolifération des cellules pulpaires. Le suivi du signal s'est fait par tomographie d'émission monophotonique, couplée à un scanner spécifique du petit animal (NanoSPECT/CT, Bioscan), hebdomadairement pendant 3 semaines. Nous avons mis en évidence que l'intensité du signal SPECT était directement liée à l'intégrité des cellules, puisque que les matrices implantées avec des cellules marquées puis lysées par choc isotonique présentaient une diminution rapide de l'intensité du marquage. Grâce à la sensibilité de la méthode d'imagerie choisie, nous avons montré l'absence de diffusion majeure des cellules dans la circulation sanguine à partir du site d'implantation, ce qui pourrait constituer un risque de minéralisation ectopique lié à l'implantation de cellules souches mésenchymateuses. Par ailleurs, l'étude par histologie des processus de réparation et régénération de la pulpe dans les dents de rat a mis en évidence une prolifération abondante de cellules de type fibroblastique au sein des matrices, ainsi que la présence de nombreux vaisseaux et de nerfs dans la matrice cellularisée et à proximité. Ces résultats, non observés dans les matrices implantées avec des cellules lysées, suggéraient donc une fonctionnalité du tissu reconstruit et suggéraient que les cellules pulpaires implantées favorisaient une néovascularisation rapide de la pulpe équivalente, vraisemblablement en induisant un recrutement de cellules endothéliales à partir du réseau vasculaire radiculaire résiduel.

La culture cellulaire traditionnelle en deux dimensions (2D) ne peut pas reproduire les propriétés des tissus observées dans des organes en trois dimensions (3D). Ces tissus, en particulier les tissus de soutien comme l'os, sont soumis à des contraintes mécaniques, facteurs majeurs de régulation des interactions cellulaires et cellules/matrices. Il y a donc un intérêt croissant pour les modèles 3D, afin de mieux comprendre les différents aspects du fonctionnement cellulaire et du remodelage osseux, dans des systèmes de moindre complexité que les modèles in vivo. Nous nous sommes intéressés ici aux cellules ostéoblastiques et à une de leur protéine matricielle, la sialoprotéine osseuse (BSP). La BSP appartient à la famille des "small integrin-binding ligand N-linked glycoproteins" (SIBLING), impliquées dans le développement, le remodelage et la minéralisation de l'os, et répondant rapidement à la contrainte mécanique. Notre objectif était d'analyser l'impact de cette protéine sur la différenciation ostéoblastique et l'ostéogénèse in vitro à partir de cellules de calvaria de souris présentant une extinction génique de la BSP (BSP-/-) cultivées en 2D et en 3D. Nous avons montré que les cellules BSP-/- présentaient un défaut de formation osseuse et de minéralisation qui est dépendant de la densité cellulaire. Puis nous avons développé et validé un bioréacteur perfusé et stimulable mécaniquement via le système ZetOsTM. Les premiers résultats obtenus avec cet outil contrôlé montrent que l'environnement 3D améliore la différenciation des cellules BSP-/-. Ces travaux restent à développer, notamment pour analyser l'effet des contraintes mécaniques sur ces cellules

La thérapie cellulaire constitue une stratégie prometteuse dans le traitement de l'infarctus du myocarde. Afin de mieux contrôler la survie, la différenciation et l'intégration des cellules greffées, nous avons tenté une approche d'ingénierie tissulaire en associant les cellules à un microvecteur comportant une surface biomimétique et pouvant libérer un facteur de croissance (FC), les microcarriers pharmacologiquement actifs (MPA). Parmi les cellules utilisées dans une telle approche, les cellules souches adultes dérivées du tissu adipeux (ADSC) ne soulèvent pas de problèmes d'ordre éthique et permettent de réaliser des greffes autologues. Ces cellules sont largement étudiées pour la régénération de nombreux tissus en vertu de leurs propriétés immuno-modulatrices, de leur capacité à sécréter des FC et chémokines, mais également de leur large potentiel de différenciation. Dans une première étape, nous avons étudié l'effet des molécules de la matrice extracellulaire et des MPA sur la différentiation en cardiomyocytes des ADSC en présence d'un cocktail de FC. Nous avons ainsi pu observer que l'apport du cocktail de FC permettait aux cellules de s'engager dans la voie de différentiation cardiaque après 2 semaines. En comparant l'effet de la laminine (LM) et de la fibronectine sur cette différentiation, nous avons pu observer que la LM permettait d'induire une différentiation dans une cellule plus mature et que ceci était potentialisée par un enrichissement du milieu en TGF!1. Finalement, l'apport de MPA recouverts de LM favorisait une différentiation plus rapide des cellules en présence du cocktail. Les MPA peuvent également libérer un facteur de croissance de manière prolongée au cours du temps. Par conséquent, nous avons encapsulé 3 protéines, le VEGF, le HGF et l'IGF-1, et d'étudier leur effet sur les comportement des ADSC. Nous avons ainsi pu observer que des MPA libérant du HGF et de l'IGF-1 induisaient une différenciation de ADSC dans la voie cardiaque et que cette différentiation était également observée lorsque les complexes ADSCMPA étaient intégrés dans un hydrogel thermosensible. Cependant, nous avons aussi observé que la quantité de protéines libérées à partir des MPA était plus faible dans le gel. Nous avons donc cherché dans une dernière partie à améliorer le profile de libération des protéines à partir des MPA en changeant la composition du polymère. Nous avons ainsi utilisé différents copolymères triblock PLGA-PEG-PLGA pour formuler des microsphères et évaluer leur rôle sur la libération de la protéine mais aussi sur la stabilité de celle-ci durant la dégradation du polymère.

Les premières utilisations du tissu adipeux comme produit de comblement en chirurgie plastique remontent à la fin du 19ème siècle. Depuis quelques décennies, la greffe de tissu adipeux a bénéficié d'un regain d'intérêt utilisant un procédé chirurgical rigoureux. Devant la démonstration de la survie cellulaire et les bons résultats cliniques obtenus, l'utilisation de cette technique s'est élargie à tous les domaines de la chirurgie plastique. Cette technique est simple et efficace et représente actuellement le meilleur moyen de restaurer les défauts de contours et de volume. Récemment, de nouvelles indications utilisant les capacitésrégénératrices du tissu adipeux ont été décrites. Elles concernent la cicatrisation des plaies chroniques et l'amélioration des dystrophies cutanées. Mais la limite de la greffe de tissu adipeux est l'absence de site donneur disponible au prélèvement. Le tissu adipeux est aujourd'hui reconnu comme la source la plus abondante de cellules souches mésenchymateuses multipotentes. Cela a donné un nouvel essor à la médecine régénérative pour réparer, remplacer ou régénérer les tissus et organes endommagés à partirdes cellules souches. Cette régénération se fait soit in-situ après administration des cellules souches, soit après développement in-vitro d'un tissu par ingénierie. Après une présentation du tissu adipeux et ses cellules souches ainsi que leurs applications actuelles en chirurgie plastique, le but de ce travail était de : 1. de clarifier les facteurs influençant les résultats de la greffe adipeuse pour une optimisation de cette technique. 2. d'explorer les possibilités offertes par les cellules souches adipeuses pour la médecine régénérative et l'ingénierie tissulaire, en vue d'une utilisation en chirurgie plastique / The first uses of adipose tissue as filler in plastic surgery started in the late 19th century. In recent decades, the adipose tissue transplantation has received renewed interest using a rigorous surgical procedure. Before the demonstration of cell survival and good clinical results, the use of this technique was extended to all areas of plastic surgery. This technique is simple and effective and is currently the best way to restore the defects of contour and volume. Recently, new indications using the regenerative capacity of adipose tissue have been described. They concern the healing of chronic wounds and the improvement of skin dystrophy. But the limit of the adipose tissue graft is the lack of available donor site for harvesting. Adipose tissue is now recognized as the most abundant source of multipotent mesenchymal stem cells. This gave a boost to regenerative medicine to repair, replace or regenerate damaged tissues and organs from stem cells. This regeneration is done either in-situ after administration of stem cells, after in-vitro development of tissue engineered. After a presentation of adipose tissue and stem cells and their current applications in plastic surgery, the aim of this study was to: 1. clarify the factors influencing the results of fat transplantation to optimize this technique. 2. explore the possibilities offered by ASCs for regenerative medicine and tissue engineering, for use in plastic surgery

L’ingénierie du tissu musculaire squelettique vise à reconstituer in vitro un tissu fonctionnel aussi physiologique que possible dans le but de mieux comprendre la myogenèse, l’impact de mutations génétiques et tester des médicaments. Ces dernières années, différents modèles de tissus musculaires tridimensionnels ont été développés. Toutefois, l’utilisation prépondérante de cellules murines et la taille de ces modèles restreint leur pertinence pour les études de pathologies humaines et le criblage pharmacologique. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons donc développé différents modèles de tissus musculaires humains micrométriques pour répondre à ces limitations. Dans un premier temps, nous avons conçu et optimisé par microfabrication une plateforme caractérisée par la présence de microcanaux. Nous avons ainsi généré des tissus musculaires multicouches alignés présentant une organisation proche du muscle natif à partir de myoblastes murins immortalisés C2C12 puis de myoblastes humains immortalisés. Nous avons ainsi montré l’influence de la topographie et de la concentration cellulaire sur l’alignement des myotubes et la maturation du tissu musculaire. Dans un second temps, nous avons développé une plateforme constituée de micropuits contenant chacun deux micropiliers permettant d’analyser la contractilité des tissus. Des microtissus musculaires 3D standardisés ont ainsi été générés avec cette plateforme à partir de myoblastes murins, et de myoblastes C2C12 électroporés avec un gène muté ou non de la desmine. Par la suite, des microtissus ont été générés à partir de myoblastes humains. L’importance du choix de la matrice dans la formation des microtissus et les bénéfices d’une coculture de myoblastes et fibroblastes dans la stabilité des tissus ont ainsi été mis en évidence. La géométrie de micropiliers a aussi été optimisée afin de générer et comparer des microtissus composés de myoblastes isolés de patients sains et malades (dystrophie musculaire de Duchenne). Une preuve de concept démontrant la possibilité d’utiliser cette technologie pour tester des thérapies chimiques et géniques a été établie. Nous avons en effet suivi en temps réel les effets de l’inhibiteur de la kinase Rho-associée Y-27632 sur la contractilité des microtissus, ainsi que la transduction d’un gène rapporteur fluorescent modèle par les cellules composant les microtissus. Les résultats de ce travail de thèse démontrent le potentiel de cette technologie pour l’étude des processus fondamentaux de la myogenèse, l’évaluation des effets fonctionnels de mutations patient-spécifique et le criblage de thérapies chimiques et géniques. / Skeletal muscle tissue engineering aims to build functional and physiological tissues in vitro in order to better understand myogenesis, to investigate the impact of genetic mutations and to screen potential therapies. Over the past few years, bi- and tridimensional models of muscle tissue have been developed, but most of these models are based on the use of murine cells and require large amounts of cells, thus limiting their relevance to study pathologies of human muscles and drug screening assays. Here we aimed at developing different models of human muscle microtissues to address these issues. By using microfabrication techniques, we first engineered a microgrooved platform we used to generate aligned multilayered skeletal muscle tissues from murine C2C12 myoblasts and human immortalized myoblasts. We showed the impact of topography and cell density on the maturation and myotube alignment. We then fabricated a microdevice, consisting of microwells containing two micropillars allowing an easy access to the contractility of muscle tissues. We engineered microtissues from C2C12 and C2C12 myoblasts electroporated with a mutated gene of desmin, and showed some limitation of this technique of transduction. Finally, we generated microtissues from human myoblasts. We investigated the role of the extracellular matrix in the tissue formation and evidenced the benefits of coculturing myoblasts and fibroblasts on the stability of muscle microtissues. Furthermore, we optimized the geometry of the micropillars to engineer and compare microtissues composed of human myoblasts isolated from healthy and diseased (Duchenne muscular dystrophy) patients. A proof of concept of the potential of this technology for screening chemical and gene therapies was established. We were indeed able to analyze in real time the effects of the Rho-associated kinase-inhibitor Y-27632 on the tissue contractility, as well as the transduction of a model fluorescent reporter gene. Altogether, the results of this work demonstrate the potential of this technology to study fundamental muscle biology, examine functional effects of patient-specific mutations or screen chemical and gene therapies.

L’Ingénierie tissulaire (IT) est un domaine interdisciplinaire qui applique les principes de l'ingénierie et des sciences de la vie au développement de substituts biologiques afin de restaurer, maintenir ou améliorer la fonction tissulaire. Sa première application consiste à remplacer les tissus endommagés par des produits cellulaires artificiels. Une autre application de l’IT est basée sur la production des modèles en 2 et 3 dimensions (2D et 3D) pour des études biologiques et pharmacologiques in vitro. Ces modèles ou remplacements de tissus peuvent être fabriqués en utilisant des différentes méthodes de médecine, biologie, chimie, physique, informatique et mécanique, fournissant un micro-environnement spécifique avec différents types de cellules, facteurs de croissance et matrice. L'un des principaux défis de l'IT la pénétration cellulaire limitée dans les parties internes des biomatériaux poreux. Une faible viabilité cellulaire au centre du produit d'IT est la conséquence de la diffusion limitée d'oxygène et de nutriments du fait d’un réseau vasculaire insuffisant dans l'ensemble de la construction 3D. Le BioAssembage couche-par-couche est une nouvelle approche basée sur l'assemblage de petites constructions cellularisées permettant une distribution cellulaire homogène et une vascularisation plus efficace dans des produits d’IT.Notre hypothèse est que l'approche couche-par-couche est plus adaptée à la régénération osseuse que l'approche conventionnelle de l'IT. L'objectif principal de cette thèse était d'évaluer les avantages de l'approche couche-par-couche en utilisant des membranes de polymères imprimées en 3D et ensemencées avec des cellules primaires humaines. Nous avons évalué l'efficacité de la formation du réseau vasculaire in vivo dans toute la construction 3D en utilisant cette approche et en la comparant à l'approche conventionnelle basée sur l'ensemencement des cellules sur la surface des scaffolds massives. Il n'y avait pas de différence significative dans le nombre de vaisseaux sanguins formés en 3D au niveau des parties externes des constructions implantées en site souscutanée chez des souris. Mais dans les parties internes des implants qui n'étaient pas en contact direct avec un tissu hôte, nous avons pu observer une formation des vaisseaux sanguins statistiquement plus efficace lorsque l'approche du bio-assemblage couche-par-couche a été utilisée. Cette formation de réseau vasculaire était plus importante dans le cas de co-cultures que de mono-cultures.Il y avait plusieurs objectifs secondaires dans ce travail. Le premier était de fabriquer des constructions 3D cellularisées pour l'IT en utilisant des membranes d'acide polylactique (PLA) et des cellules primaires humaines : des cellules de stroma de moelle osseuse humaine (HBMSCs) isolées de la moelle osseuse et des cellules progénitrices endothéliales (EPCs) isolées du sang du cordon ombilical. Ensuite, nous avons comparé différentes technologies de fabrication des scaffolds: impression 3D directe à partir de poudre de PLA et impression par fil fondu en utilisant une imprimante commerciale et une autre fabriquée sur mesure. L'imprimante sur mesure a permis le plus haut niveau de résolution d'impression spécialement adaptée à la forme et la taille des pores. Par ailleurs, nous avons évalué différents systèmes de stabilisation pour l'assemblage couche par couche : l’utilisation de clips en PLA imprimés en 3D a fourni une stabilisation plus efficace pour empiler les membranes PLA couche par couche. Un autre avantage de ce système de stabilisation est qu'il peut être implanté avec des implants. Ensuite, nous avons observé une prolifération et une différenciation cellulaire plus efficaces lorsque le système de co-culture était utilisé, en comparaison avec des mono-cultures.L'approche du bioassemblage couche-par-couche semble être une solution appropriée pour une vascularisation efficace dans des structures 3D entières d'ingénierie tissulaire. / Tissue Engineering (TE) is “an interdisciplinary field that applies principles of engineering and the life sciences toward development of biological substitutes that restore, maintain, or improve tissue function”. The First application of TE is to replace damaged tissues by artificial cell-materials products of tissue engineering (TE). Another TE application is to produce 2 or 3 dimensional (2D and 3D) models for biological and pharmacological in vitro studies. These models or tissue replacements can be fabricated using a combination of different interdisciplinary methods of medicine, biology, chemistry, physics, informatics and mechanics, providing specific micro-environment with different cell types, growth factors and matrix.One of the major challenges of tissue engineering is related to limited cell penetration in the inner parts of porous biomaterials. Poor cell viability in the center of engineered tissue is a consequence of limited oxygen and nutrients diffusion due to insufficient vascular network within the entire construct. Layer-by-layer (LBL) BioAssembly is a new approach based on assembly of small cellularized constructs that may lead to homogenous cell distribution and more efficient three dimensional vascularization of large tissue engineering constructs.Our hypothesis is that LBL Bioassembly approach is more suitable for bone regeneration than conventional tissue engineering approach. The primary objective of this thesis was to evaluate the advantages of LBL Bioassembly approach using 3D-printed polymer membranes seeded with human primary cells. We have evaluated the efficiency of vascular network formation in vivo within entire 3D tissue engineering construct using LBL bioassembly approach and comparing it to the conventional approach based on seeding of cells on the surface of massive 3D scaffolds. There was no significant difference in number of formed blood vessels in 3D at the outer parts of constructs implanted subcutaneously in mice 8 weeks post-implantation. But in the inner parts of implants which were not in direct contact with a host tissue, we could observe statistically more blood vessel formation when LBL bioassembly approach was used. This vascular network formation was more important in the case of co-cultures than mono-vultures of HBMSCs.There were several secondary objectives in this work. The first was to fabricate cellularized 3D constructs for bone tissue engineering using poly(lactic) acid (PLA) membranes and human primary cells: human bone marrow stroma cells (HBMSCs) isolated from the bone marrow, and endothelial progenitor cells (EPCs) isolated from the umbilical cord blood. Then, we have compared different Additive manufacturing technologies to fabricate scaffolds: direct 3D printing (3DP) starting from PLA powder dissolved in chloroform and fused deposition modelling (FDM) using a commercial or a custom-made printer with different resolutions.The custom-made printer equipped with 100 μm nozzle allowed the highest level of printing resolution concerning pores shape and size. In the meantime we evaluated different stabilization systems for layer-by-layer assembling of PLA membranes with human primary cells: the use of 3D printed PLA clips provided the most efficient stabilization to stack PLA membranes in 3D. Another advantage of this stabilization system is that it could be implanted together with LBL constructs. Then we investigated the most suitable cell culture system for such constructs and we observed more efficient cell proliferation and differentiation when co-culture system is used, comparing to mono-cultures.LBL bioassembly approach seems to be suitable solution for efficient vascularization within entire large 3D tissue engineering constructs especially when co-cultures of mesenchymal and endothelial cells are used.

Les infections ostéo-articulaires à Staphylococcus aureus sont des pathologies fréquentes dont les conséquences peuvent aller de la simple altération cellulaire à un retard de la réparation osseuse ou une réponse inflammatoire excessive. Afin d’étudier ce phénomène, nous avons, dans un premier temps, développé deux modèles d’infections in vitro faisant interagir Staphylococcus aureus et des cellules osseuses primaires issues d’explants chirurgicaux humains. Ces cellules ont été préalablement cultivées dans un milieu standard ou un milieu ostéogénique afin d’obtenir 2 populations à des stades de maturation différents. L’étude de l’internalisation de Staphylococcus aureus, de la mortalité cellulaire et de la production de médiateurs inflammatoires pour ces 2 populations a permis d’établir si l’impact de Staphylococcus aureus variait en fonction de la maturation cellulaire. Dans un second temps, nous avons étudié l’impact de Staphylococcus aureus sur des cellules souches mésenchymateuses dérivées du cordon ombilical. En effet, dans le cadre d’une régénération osseuse en site infecté, les cellules souches mésenchymateuses pourraient être amenées à interagir avec Staphylococcus aureus. Nous avons donc caractérisé la capacité de ces cellules à internaliser Staphylococcus aureus, à survivre face à l’infection et à produire des médiateurs inflammatoires dans notre modèle in vitro d’infection aiguë. Ce projet nous a permis de valider nos modèles d’infection in vitro et de caractériser l’impact de Staphylococcus aureus sur différentes cellules du microenvironnement osseux, donnant ainsi de nouvelles pistes pour le développement de stratégies pour la lutte antibactérienne et l’ingénierie tissulaire osseuse. / Staphylococcus aureus-related bone and joint infections are common diseases whose consequences can range from simple cell damage to delayed bone repair or excessive inflammatory response. To study this phenomenon, we have developed two models of in vitro infection with Staphylococcus aureus and primary bone-forming cells derived from human surgical explants. These cells have been previously cultured in a standard medium or osteogenic medium to obtain two populations at different stages of maturation. The study of Staphylococcus aureus internalization, cell death and production of inflammatory mediators in these 2 populations allowed us to establish whether the impact of Staphylococcus aureus varied depending on cell maturation. We also studied the impact of Staphylococcus aureus on mesenchymal stem cells derived from umbilical cord. In case of bone regeneration in infected site, mesenchymal stem cells may have to interact with Staphylococcus aureus. Therefore, we characterized the ability of these cells to internalize Staphylococcus aureus, to survive against the infection and to produce inflammatory mediators in our in vitro model of acute infection. This project allowed us to validate our in vitro infection models and to characterize the impact of Staphylococcus aureus on different cells in the bone microenvironment, providing new approaches for the development of antibacterial strategies and bone tissue engineering.

L’ingénierie tissulaire osseuse a récemment connu de nouveaux développements grâce à la prise en compte du phénomène de mécanotransduction dans la conception des bioréacteurs. Toutefois, des progrès restent à faire sur nos connaissances sur les mécanismes de la réponse des cellules souches mésenchymateuses (CSM) aux contraintes mécaniques en vue d’optimiser l’environnement mécanique tridimensionnel des cellules dans les bioréacteurs. L’objectif de cette thèse est double : déterminer le meilleur microenvironnement mécanique pour des CSM humaines et appliquer cet environnement au sein d’un bioréacteur. Pour cela, des CSM humaines ont été cultivées dans différentes conditions et soumises à des contraintes mécaniques. Leur réponse a été analysée via des marqueurs précoces de l’ostéogénèse. En parallèle, un modèle numérique a été développé pour simuler l’écoulement dans un bioréacteur à scaffold granulaire et déterminer le niveau et la répartition des contraintes ressentis par les cellules. Il a été mis en évidence que la réponse des cellules à une stimulation mécanique dépend très fortement de son environnement tridimensionnel. Ce travail à la fois mécanique et biologique permet de dégager des pistes d’amélioration des bioréacteurs et des scaffolds en vue de l’optimisation de l’environnement mécanique tridimensionnel des cellules en ingénierie tissulaire osseuse. / Bone tissue engineering is currently in full development and a growing field of research. The consideration of the mechanotransduction process is a key factor in the optimization of bioreactors. Mesenchymal stem cells (MSC) used in bone tissue engineering are known to be mechanosensitive but our knowledge of the mechanisms of cell response to mechanical stress needs to be improved. This thesis has a double goal: determining the best possible mechanical microenvironment for human MSC, and apply this environment in a bioreactor. To that aim, human MSC were grown in different conditions and subjected to mechanical stresses. Their response was analyzed through osteogenesis markers. A numerical model was also implemented to simulate the flow in bioreactor with a granular scaffold and evaluate levels and distributions of stresses felt by cells. It was shown that cell response to mechanical stress is strongly dependent on the tridimensional environment. This biological and mechanical study highlights tracks of improvement for bioreactors and scaffolds to optimize the mechanical tridimensional environment of cells in bone tissue engineering.

Notre équipe a optimisé la formulation de dispositifs médicaux implantables pour l’ingénierie tissulaire osseuse et cartilagineuse. A ces fins, nous nous sommes basés sur des implants nanostructurés d’origine naturelle ou synthétique conçus au sein du laboratoire par la méthode d’électrospinning, pour imiter la matrice extracellulaire du compartiment osseux, et un hydrogel composé d’alginate et d’acide hyaluronique imitant la composition du compartiment cartilagineux. Dans une première partie de mon travail, pour la régénération osseuse, nous avons optimisé la formulation d’un implant nanostructuré à base de chitosane pour une accélération de cette régénération. Ceci a été possible en rendant actif ce dispositif médical implantable par incorporation de nanoparticules de silice, conférant à la construction nanocomposite des propriétés mécaniques accrues, et une excellente biocompatibilité avec le tissu hôte. Une autre étude pour la même visée a permis d’élaborer une nouvelle stratégie d’ensemencement de dispositif implantable synthétique et nanostructuré par des microtissus cellulaires, remplaçant un ensemencement de cellules isolées et permettant des performances de minéralisation accrues à l’intérieur de l’implant. Dans un deuxième temps, pour la régénération de l’unité ostéoarticulaire, nous avons proposé deux implants bi-compartimentés et hybrides comportant des microtissus de cellules souches mésenchymateuses. Ces implants sont composés d’un hydrogel contenant les cellules souches permettant la régénération du cartilage, et d’une membrane collagénique naturelle (Bio-Gide®) ou synthétique (membrane de polycaprolactone), dotée de nanoréservoirs (technologie brevetée par le laboratoire) de facteur de croissance ostéogénique (BMP-7) pour une régénération du socle osseux (os sous-chondral) de l’unité os-cartilage. La troisième partie de mon travail a concerné la vascularisation des implants osseux et particulièrement l’accélération du recrutement vasculaire. Dans ce cadre plus vasculaire, nous avons proposé une stratégie qui vise à doter un implant synthétique nanostructuré de facteur de croissance angiogénique (VEGF), puis à lui appliquer un ensemencement séquentiel de cellules mésenchymateuses adultes « ostéoblastes humains» et de cellules endothéliales humaines (HUVECs). Cette stratégie a permis un recrutement et une hiérarchisation accrue des cellules endothéliales dans l’implant. En conclusion, l’optimisation des implants développés au laboratoire permettra sans nul doute de proposer dans un futur proche de nouveaux dispositifs médicaux implantables (DMI) thérapeutique combinés de type DMI-MTI (Médicaments de Thérapie Innovante) pour l’ingénierie tissulaire osseuse et cartilagineuse en particulier en médecine régénérative ostéo-articulaire. / Our team optimized the formulation of implantable medical devices for bone and cartilage tissue engineering. To that end, we based our work on nanostructured implants, either natural or synthetic, made in the laboratory by electrospinning process, to mimic bone extracellular matrix, and hydrogel of alginate/hyaluronic acid to mimic cartilage extracellular matrix. First, concerning bone regeneration, we optimized the formulation of a nanostructured scaffold composed of natural chitosan to enhance bone regeneration. This was made possible by doping this implantable medical device with silica nanoparticles, offering this nanocomposite better mechanical properties, and excellent biocompatibility with host tissue. Another study with the same aim allowed elaborating a new cell seeding strategy, to seed these implantable medical devices with cell microtissues instead of single cells, offering higher mineralisation efficiencies within the implant. Consequently, for the regeneration of the osteochondral unit, we proposed two compartmented and hybrid implants comprising mesenchymal stem cells microtissues. Those implants are made of a hydrogel containing the stem cells, allowing the regeneration of cartilage, and a membrane, either natural (collagenic Bio-Gide®) or synthetic (electrospun polycaprolactone) equipped with nanoreservoirs (technology patented by the laboratory) of osteogenic growth factor (BMP-7) for the regeneration of osseous stand (the subchondral bone) of the bone-cartilage unit. Finally, to study the improvement in vascular recruitment, we proposed a new strategy combining the modification of an implantable device with angiogenic growth factor (VEGF), prior to its sequential seeding with mesenchymal cells “human osteoblasts” and human endothelial cells (HUVECs). This strategy allowed higher recruitment and structuration of endothelial cells within the implant. To conclude, the implant optimisation strategies developed in the laboratory will certainly allow proposing in the near future new combined Advanced Therapy Medicinal Products (ATMPs) and Implantable Medical Device for bone and cartilage regeneration, in particular in the field of osteoarticular regenerative nanomedicine.