L’ingénierie tissulaire osseuse a pour objectif de repousser les limitesexistantes de la régénération osseuse. Les stratégies proposées consistent àassocier à une matrice tridimensionnelle (3D) des cellules autologues, capables derégénérer en 3D un tissu fonctionnel. Le but de ce travail a été d’étudier l’importancede la communication cellulaire entre les cellules du compartiment stromal et lescellules endothéliales au sein d’une matrice tridimensionnelle poreuse constituée depolysaccharides naturels biodégradables. Nos résultats montrent que l’architecture etla nature de cette matrice permettent de guider la différenciation ostéoblastique descellules humaines mésenchymateuses issues de la moelle osseuse. L’organisationcellulaire en agrégats observée stimule les interactions cellulaires, et plusparticulièrement la formation de jonctions communicantes de type GAP et l’activitédes Connexines 43. Nous avons en également étudié la fonction des Pannexines 1et 3 dans la culture 3D. En conclusion, l’ensemble de nos travaux démontre que lesinteractions cellule-cellule constituent des événements majeurs dans cesmécanismes de régénération tissulaire. Les données cellulaires et expérimentalestémoignent de l’intérêt d’utiliser la totalité de la suspension de moelle osseuse pourfavoriser à la fois l’ostéoformation et la vascularisation du tissu. / Bone tissue engineering aims to resolve the existing limitations of boneregeneration methods. One of the proposed strategies consists on the association,within a three-dimensional (3D) matrix, with autologous cells able to regenerate afunctional 3D tissue. The purpose of this study was therefore to investigate theimpact of cellular communication, between cells of the stromal compartment andendothelial cells, within the three-dimensional porous matrix made of biodegradablenatural polysaccharides, focusing on bone repair. Our results show that thearchitecture and the nature of the 3D macroporous matrix promotes the guidance ofmesenchymal stems cells, derived from human bone marrow, towards theosteoblastic lineage. Also, that the organization in aggregates, promoted by the 3Dmatrices, stimulated cell communication, evidenced by the formation of GAPjunctions and activity of Connexins 43. We also focused on the function ofPannexines 1 and 3 for the 3D culture in these matrices of polysaccharides. Inconclusion, this work shows that cell-cell interactions play a major role in order toimprove bone tissue regeneration. Also, cellular and experimental data demonstratesthe advantage of using a total fraction of bone marrow cells to promote both boneformation and vascularization.

Le tissu osseux est caractérisé par sa matrice minéralisée qui est soumise à des activités de formation et de résorption assurant son renouvellement et son remaniement tout au long de la vie. En cas de lésions, l’os est capable de se réparer naturellement de façon à rétablir son intégrité et ses propriétés physiques. Cependant, certaines pathologies ou interventions chirurgicales peuvent aboutir à des pertes massives de substance osseuse et le processus naturel d’autoréparation est alors insuffisant. En première intention, la greffe osseuse est envisagée (autogreffe et allogreffe), néanmoins, du fait d’une disponibilité réduite et des risques de rejet et de transmission d’agents infectieux, cette technique n’est pas réalisable dans toutes les situations cliniques. Le chirurgien peut alors avoir recours à des biomatériaux ostéoconducteurs mais ceux-ci ne sont utilisables que dans le cas de comblement de défauts de petite taille car ils sont simplement un support passif à la néoformation osseuse. Ces limites pourraient être dépassées grâce au concept d’ingénierie tissulaire, en concevant des biomatériaux innovants ayant un fort pouvoir ostéogène conféré notamment par des facteurs de croissance ou des cellules ostéoprogénitrices. Dans notre travail, nous avons cherché à mettre au point un nouveau produit d’ingénierie tissulaire permettant la réparation de défauts osseux. La stratégie envisagée repose sur l’association d’un support tridimensionnel et de cellules souches adultes dérivées du tissu adipeux humain (ASC). L’originalité du système provient de la matrice tridimensionnelle, qui est un hydrogel thermosensible composé de monomère synthétique Glycosyl-Nucléoside-Fluoré (GNF) de faible poids moléculaire. Dans le domaine de la régénération osseuse, les hydrogels cellularisés sont généralement utilisés comme matrice associée à des molécules ostéogéniques (BMP2, Béta-Glycérophosphate) ou à des ions (Calcium : Ca2+, Phosphate : PO42-) pour permettre la differenciation ostéoblastique des cellules encapsulées dans le gel. Cependant, dans notre travail, nous n’avons pas fait appel à ces facteurs ostéogéniques. Notre étude a révélé que l’hydrogel de GNF possède les critères essentiels pour être utilisé en clinique : la non-toxicité, la biocompatibilité, la biodégradabilité, l’injectabilité et la biointégration. Des injections de complexe gel/ASC réalisées en site ectopique chez l’animal ont démontré que le gel se forme in situ en moins de 20 minutes et que les cellules encapsulées ont survécu pendant plusieurs mois. In situ, les ASC se sont différerenciées en ostéoblastes matures, exprimant la phosphatase alcaline et l’ostéocalcine et synthétisant une matrice extracellulaire riche en phosphate de calcium. Ces travaux ont donc permis de développer un produit d’ingénierie tissulaire innovant, associant un support tridimensionnel, l’hydrogel de GNF, à une composante cellulaire, les ASC. Cette matrice cellularisée apparaît prometteuse comme système injectable pour des applications cliniques de régénération osseuse. / Bone tissue is characterized by its mineralized matrix which is subject to formation and resorption activities ensuring its renewal and remodeling throughout the life. In case of damage, the bone can repair itself naturally to restore its integrity and its physical properties. Nevertheless, some pathologies or surgical procedures can lead to massive loss of bone and the natural process of self-repair is insufficient. First line, the bone graft is considered (autograft and allograft), however, due to reduced availability and risks of rejection and transmission of infectious agents, this technique is not feasible in all clinical situations. The surgeon can then make use of osteoconductive biomaterials but these are only usable in the case of filling of small defects because they are simply passive scaffold for bone formation. These limits may be exceeded through the concept of tissue enginee- ring, designing innovative biomaterials with high osteogenic power conferred by particular growth factors or osteoprogenitor cells. In our work we seek to develop a new product of tissue engineering to repair bone defects. The proposed strategy is based on the combination of a three-dimensional scaffold and adult stem cells derived from human adipose tissue (ASC). The originality of this system comes from the three-dimensional matrix, which is a thermosensitive hydrogel composed of synthetic monomeric Glycosyl-Nucleoside-Fluorinated (GNF) low molecular weight. In the field of bone regeneration, hydrogels are generally used as cellularized matrix molecules associated with osteogenic (BMP2, Beta-Glycerophosphate) or ions (Calcium : Ca2+, Phosphate : PO42-) to allow osteoblast differentiation of cells encapsulated in the gel. However, in our work, we have not used these osteogenic factors. Our study revealed that the hydrogel of GNF has the essential criteria to be used in clinical practice : non-toxicity, biocompatibility, biodegradability, injectability and biointegration. Injections of gel/ASC complex performed in animal ectopic site have showed that the gel is formed in situ within 20 minutes and encapsulated cells survived and proliferated for several months. In situ, ASC were differentiated into mature osteoblasts expressing alkaline phosphatase and osteocalcin and synthesizing an extracellular matrix rich in calcium phosphate. So, this work has allowed the development of an innovative product for tissue engineering, combining a three-dimensional scaffold, the GNF based hydrogel, a cellular component, the ASC. This cellularized matrix appears promising as injection system for clinical applications of bone regeneration.

Afin de résoudre la problématique des substituts osseux faiblement vascularisés, un des challenges majeurs en ingénierie tissulaire osseuse est de favoriser le développement précoce d’une microvascularisation. La reproduction du microenvironnement local et l’organisation cellulaire in situ sont des approches innovantes pour optimiser la formation osseuse. En Biofabrication, la Bioimpression Assistée par Laser (LAB) est une technologie émergente permettant l’impression de cellules et de biomatériaux avec une résolution micrométrique. L’objectif de ce travail était d’étudier l’effet de l’organisation de la pré-vascularisation par LAB sur la régénération osseuse. La station de bioimpression Novalase a été utilisée pour imprimer des motifs de cellules endothéliales sur un « biopaper » constitué de collagène et de cellules souches issues de la papille apicale. Les paramètres d’impression, densités cellulaires et conditions de recouvrement ont été optimisés afin de favoriser la formation d’un réseau microvasculaire avec une architecture définie in vitro. Ce modèle a ensuite été transposé in vivo, grâce à la bioimpression in situ de cellules endothéliales au niveau de défauts osseux critiques chez la souris, afin d’évaluer si la prévascularisation organisée par LAB permettait de promouvoir et contrôler spatialement le processus de régénération osseuse. Les résultats ont montré que la bioimpression permettait d’augmenter la densité de vaisseaux dans les défauts osseux et de favoriser la régénération osseuse. / In order to solve the issue of poorly vascularized bone substitutes, development of a microvasculature into tissue-engineered bone substitutes represents a current challenge. The reproduction of local microenvironment and in situ organization of cells are innovating approaches to optimize bone formation. In Biofabrication, Laser-Assisted Bioprinting (LAB) has emerged as a relevant method to print living cells and biomaterials with micrometric resolution. The aim of this work was to study the effect of prevascularization organized by LAB on bone regeneration. The laser workstation Novalase was used to print patterns of endothelial cells onto a « biopaper » of collagen hydrogel seeded with stem cells from the apical papilla. Printing parameters, cell densities and overlay conditions were optimized to enhance the formation of microvascular networks with a defined architecture in vitro. This model was then transposed in vivo, through in situ bioprinting of endothelial cells into mouse calvarial bone defects of critical size, to investigate if prevascularization organized by LAB can promote and spatially control bone regeneration. The results showed that bioprinting allowed to increase blood vessel density in bone defects and promote bone regeneration.

La technique des membranes induites par un conformateur en polymethylmethacrylate (PMMA) et greffe d’os spongieux autologue a été décrite par Masquelet pour la régénération des pertes de substance osseuse segmentaire des os longs. Cette technique en deux temps pourrait avantageusement être utilisée pour la reconstruction des pertes de substances osseuses segmentaires mandibulaires en cancérologie en cas d’échec ou de contre-indication des greffes osseuse revascularisées. Le premier objectif de ce travail était d’évaluer les propriétés histologiques et biologiques des membranes induites par un conformateur en PMMA avec radiothérapie, et de les comparer avec celles induites par un conformateur en silicone. Ce matériau plus souple que le PMMA a été choisi comme alternative au PMMA dans le but de faciliter l’ablation du conformateur. Les membranes induites par le PMMA ou le silicone en sous-cutané chez des rats Wistar avaient une structure histologique et des propriétés biologiques comparables mais les résultats étaient plus stables pour les membranes induites par le silicone. Le second objectif de ce travail était de proposer un procédé d’ingénierie tissulaire en alternative à la greffe d’os spongieux autologue. La néoformation osseuse au sein d’une membrane induite par un conformateur en silicone avec greffe de différentes combinaisons de céramique phosphocalcique biphasique macroporeuse (MBCP+™), de moelle osseuse totale, de simvastatine et de rhBMP-2 a été évaluée chez des rats Wistar en sous-cutané puis en site osseux fémoral. Les résultats n’ont pas permis de montrer de néoformation osseuse significative dans les groupes avec simvastatine. Par contre, une néoformation osseuse significative a été montrée dans les groupes avec rhBMP-2, avec ou sans radiothérapie. Un effet substantiel de l’adjonction de moelle osseuse totale a également été retrouvé. / Induced membrane technique with a polymethylmethacrylate (PMMA) spacer and autologous cancellous bone graft has been proposed by doctor Masquelet for segmental long bone reconstruction. This two stage technique could be proposed for segmental mandibular bone reconstruction in oncological situations in case of failure or contraindication of revascularized autologous bone graft. The first objective of this study was to evaluate the histological and biological properties of membranes induced by PMMA with radiotherapy, and to compare them to membranes induced by silicone. This material smoother than PMMA has been chosen to facilitate spacer removal. Membranes induced by both materials in subcutaneous models in rats had similar histological and biological properties, but membranes induced by silicone were less affected by radiotherapy. The second objective of this study was to propose a tissue engineering procedure as an alternative to autologous bone graft. The new bone formation inside silicone induced membranes has been analyzed after implantation of different combinations of macroporous biphasic phosphocalcic ceramic (MBCP+™), total bone marrow, simvastatine and rhBMP-2 in subcutaneous and femoral osseous models in rats. No significant new bone formation has been demonstrated in simvastatin groups. However, a significant new bone formation has been demonstrated in rhBMP-2 groups, with or without radiotherapy. An increased new bone formation has also been demonstrated with total bone marrow.

En cas de pertes de substances osseuses de grande étendue, la capacité naturelle de réparation du tissu osseux n’est pas suffisante et nécessite d’être assistée. La greffe d’os autologue constitue actuellement la référence. Cependant, cette thérapeutique présente tout de même des inconvénients qui ont entrainé le développement de substituts osseux. Mais, aucun matériau à ce jour ne peut remplacer totalement l’os autologue, en raison notamment de la difficulté à recréer un système vasculaire fonctionnel au niveau du site lésé. Depuis quelques années, les espoirs se tournent vers la création d’un substitut osseux prévascularisé afin de pallier la principale limite des alternatives actuelles : l’établissement d’un réseau vasculaire au sein de ce biomatériau. Notre projet vise à évaluer l’effet stimulateur d’un composé naturel, les principes actifs de la nacre solubles dans l’éthanol (appelé Ethanol Soluble Matrix, ESM), à la fois sur les capacités angiogéniques de cellules de la lignée endothéliale et sur la différenciation ostéogénique de cellules souches mésenchymateuses (CSM) avec comme objectif le développement d’un substitut osseux prévascularisé. Dans un premier temps, nous avons montré que l’ESM stimulait les capacités angiogéniques des cellules de la lignée endothéliale : cellules endothéliales matures (HUVECs, cellules endothéliales issues de la veine ombilicale humaine) et cellules progénitrices endothéliales (CPEs) issues de sang de cordon. L'ESM, utilisé à la concentration de 200µg/mL, a permis de dépasser les résultats obtenus (expression génique et test fonctionnel) avec le milieu de culture de référence des CPEs : l’EGM-2 (Endothelial Growth Medium). Nous avons ensuite mis en évidence que l’ESM exerçait un effet stimulateur également sur les CSMs en augmentant l’expression de marqueurs spécifiques des chondrocytes et des chondrocytes hypertrophiques, suggérant une orientation de ces cellules vers une ossification endochondrale. En parallèle de ces travaux, nous avons étudié l’effet paracrine des CSMs sur les cellules de la lignée endothéliale, HUVECs et CPEs. Les vésicules extracellulaires de taille nanométrique (nEVs) ont montré leur capacité à induire une stimulation in vitro de la formation de réseaux vasculaires et de l’expression de gènes endothéliaux. Ces résultats encourageants soulignent la faisabilité de l’utilisation de l’ESM en tant que stimulus à la fois de l’angiogenèse des CPEs et de l’ostéogenèse des CSMs. Ce stimulus pourrait être associé aux nEVs issues de CSMs et aux CPEs au sein d’une matrice tridimensionnelle pour développer un substitut osseux prévascularisé / In case of critical-sized defects, the bone tissue ability of natural healing is not sufficient and needs to be assisted. The autologous bone graft is currently the gold standard. However, this solution has drawbacks that have led to the development of bone substitutes. Nowadays, no substitute is able to supply autogenous bone, due to the difficulties to mimic the vascular system. In recent years, the hopes are focusing on the creation of a prevascularized bone substitute to overcome the main limitation of current alternatives: the creation of a functional vascular network inside the substitute. Our project aims to evaluate the stimulating effect of a natural compound, the nacre extracts called Ethanol Soluble Matrix (ESM), both on the angiogenic abilities of endothelial cell lineage and on the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) to develop a pre-vascularized bone substitute. First, we showed that ESM stimulates the angiogenic potential of two types of endothelial cells: mature endothelial cells (HUVECs, human umbilical vein endothelial cells) and endothelial progenitor cells (EPCs) from cord blood. The ESM, used at the concentration of 200µg/mL, exceeded results obtained with the reference culture medium of EPCs: the EGM-2 (Endothelial Growth Medium). Then, we demonstrated that ESM also exerted a stimulating effect on MSC by increasing the expression of chondrocyte and hypertrophic chondrocyte specific markers, suggesting an orientation of these cells towards endochondral ossification. In line with this work, we studied the paracrine effect of MSCs on endothelial cell lineage, HUVECs and EPCs. Nanoscale extracellular vesicles (nEVs) have been shown to induce an in vitro stimulation of the vascular network formation and of the endothelial gene expression. These encouraging results highlight the feasibility of using ESM as a stimulus for both angiogenesis of EPCs and osteogenesis of MSCs. This stimulus could be associated with MSC-derived nEVs and EPCs within a three-dimensional matrix to develop a pre-vascularized bone substitute

Dans le cas de larges pertes de substance osseuse, l’ingénierie tissulaire représente une alternative intéressante aux greffes. Cette technique consiste à associer des cellules à des biomatériaux dans le but de réparer le tissu. L'objectif de ce travail est l'étude de l'amélioration du potentiel ostéogénique des cellules souches mésenchymateuses issues du tissue adipeux humain (ASC), afin d’augmenter la formation de matrice osseuse en territoire ischémique. Nous avons montré que le fucoïdane, un polysaccharide d’origine marine, était capable d’améliorer la différenciation ostéogénique des ASC in vitro. Cependant, la combinaison de ces cellules avec des biomatériaux (granules de biphosphate de calcium) ne suffit pas à permettre une formation osseuse dans un modèle de pousse osseuse en site ectopique chez la souris. Afin d’augmenter l’angiogenèse, essentielle dans la réparation osseuse, nous avons associé les ASC à des cellules progénitrices endothéliales (appelées ECFC), dans ce modèle. Cette association ne permet d’améliorer que faiblement la formation osseuse. Nos études in vitro d'association de CPE et d'ASC ont montré que ces cellules en coculture étaient capables de synthétiser un grand nombre de cytokines impliquées dans les différenciations ostéogénique et angiogénique, telles que le transforming growth factor (TGFß1), l’insulin like growth factor (IGF-1) ou encore le vascular endothelial growth factor (VEGF). Dans nos conditions de culture, le surnageant de l’association des ECFC avec des ASC induit, par rapport au surnageant des ASCs seules, une inhibition de la différenciation ostéogénique dont le mécanisme reste à identifier.L’ensemble de nos données démontre le potentiel du fucoïdane dans l’ingénierie tissulaire osseuse et que les ASC seules ne sont pas capables de former de matrice osseuse. / In the case of large bone defects, tissue engineering represents an attractive alternative to transplantation. Tissue engineering is a combination of cells with biomaterials in order to repair tissue. The aim of this work was the study of the improvement of the osteogenic potential of mesenchymal stromal/stem cells derived from human adipose tissue (ASC) in the order to increase the formation of bone matrix in the ischemic territory. We have shown that fucoidan, a marine polysaccharide, was able to improve the osteogenic differentiation of ASC in vitro. However, the combination of these cells with biomaterials (biphasic calcium phosphate particles) is not enough to have bone formation in an ectopic bone growth model in mice. To promote angiogenesis, a crucial step in bone repair, we associated ASC with endothelial progenitor cells (called ECFC), in our model. This association promotes only lightly the bone formation. Our in vitro coculture studies of ECFC with ASC showed that the cells in coculture were able to synthesize several cytokines involved in angiogenic and osteogenic differentiation, such as transforming growth factor (TGF-ß1), insulin like growth factor (IGF-1) or vascular endothelial growth factor (VEGF). However, ASC in coculture did not express the receptors of these cytokines. In our culture conditions, the supernatant of the association of ECFC + ASC induces, compare to ASC alone, an inhibition of osteogenic differentiation which mechanism has to be identified.Our data show the potential of fucoidan in bone tissue engineering and that ASC alone did not promote bone matrix formation.

L’ingénierie du tissu osseux vise à concevoir un substitut tissulaire associant des cellules ostéoprogénitrices à une matrice tridimensionnelle capable de promouvoir la reconstruction osseuse, ouvrant la voie au développement de thérapeutiques substitutives à la pratique de la greffe dont les limitations sont bien connues.Le but de ce travail a été de développer un nouveau produit d’ingénierie tissulaire (PIT) destiné à la régénération osseuse constitué i) d’une matrice tridimensionnelle poreuse constituée de polysaccharides naturels biodégradables, ii) de cellules souches adultes issues du tissu adipeux humain (ADSCs) et d’identifier les conditions de culture optimales permettant le développement d’un produit fonctionnel pour une utilisation clinique. Nos résultats montrent que l’architecture et la composition de la matrice macroporeuse polysaccharidique permet de guider la différenciation ostéoblastique des ADSCs, en l’absence de facteurs ostéogéniques, et notamment en conditions de culture dynamique, grâce à l’organisation cellulaire en agrégats promouvant les interactions cellulaires. Les ADSCs peuvent être marquées à l’aide de nanoparticules superparamagnétiques et suivies in vivo de façon non invasive par imagerie par résonnance magnétique (IRM) au sein des matrices après leur implantation en site sous-cutané chez la souris. Les images IRM montrent que le matériau permet de délivrer une partie des cellules au niveau du site d’implantation participant probablement à un processus de réparation tissulaire. Enfin, en vue d’applications cliniques, un milieu de culture sans sérum répondant aux conditions GMP (Good Manufacturing Practices) pour la différenciation ostéoblastique a été développé par un industriel et validé au cours de ce travail de thèse.En conclusion de ces travaux, l’association d’une matrice macroporeuse composée de polysaccharides avec des ADSCs dans des conditions de culture spécifiques, en conditions dynamiques, semble pertinente et prometteuse pour des applications cliniques en ingénierie du tissu osseux. / Bone tissue engineering may associate osteoprogenitor cells to a tridimensional scaffold that can promote tissue reconstruction in order to replace bone grafting strategies whose limitations are well known. This study aims to develop a new tissue-engineered construct for bone regeneration constituted by i) a tridimensional polysaccharide-based scaffold, ii) adult stem cells extracted from human adipose tissue and identify the best culture conditions needed to develop a functional construct for clinical use. Our results show that this macroporous scaffold offers, without any osteoinductive factors, a suitable architecture and composition for driving osteoblastic differentiation of ADSCs especially when placing the tissue-engineered construct in dynamic conditions, thanks to cell aggregate conformation promoting cell-to-cell interactions. Thanks to ADSCs labeling, the tissue-engineered construct can be tracked in vivo in a non invasive way by magnetic resonance imaging (MRI), after their subcutaneous implantation. Results evidenced that this scaffold behaves as a cell carrier for of holding in its own cell fraction and delivering another fraction to the site of implantation for inducing a better tissue regeneration process. Finally, a serum free medium meeting standards GMPs (Good Manufacturing Practices) has been developed for inducing ADSCs osteoblastic differentiation as a first step towards clinical application.In conclusion, this polysaccharide-based scaffold associated with ADSCs, cultured under low fluid flow in a new bioreactor device, could be a relevant and promising tissue engineered construct for bone tissue engineering applications.