Les fonctions vasculaires sont régulées par diverses stimulations biochimiques ou mécaniques qui activent les différentes cellules composant les vaisseaux sanguins.Les réponses cellulaires qui en résultent peuvent impliquer une réorganisation du cytosquelette, des changements morphologiques, l'expression de protéines membranaires ou la libération de nombreux médiateurs. Tous ces événements sont susceptibles d'influencer les propriétés mécaniques des cellules. Ainsi, le but de la présente étude est de déterminer l'impact de l'activation de certains récepteurs au niveau des propriétés mécaniques des cellules, des modifications qui pourraient avoir de fortes implications au niveau vasculaire. Pour ce faire, nous avons utilisé deux approches expérimentales permettant d'évaluer des changements morphologiques et mécaniques de très faible amplitude : la microscopie à force atomique (AFM) et la résonance des plasmons de surface (SPR). Nous avons ainsi étudié les effets de l'activation des récepteurs de l'angiotensine II, la thrombine et la bradykinine sur la morphologie et les propriétés mécaniques de modèles cellulaires importants dans l'étude des fonctions vasculaires. Nous avons observé que l'activation du récepteur AT[indice inférieur 1] pour l'angiotensine II induit une réponse mécanique transitoire qui se traduit par une contraction du corps cellulaire, une augmentation du module d'élasticité de la cellule et une diminution de l'intégrité de l'épithélium. Quant à l'activation du récepteur PAR-1 pour la thrombine et du récepteur B[indice inférieur 2] pour la bradykinine, celle-ci provoque aussi une modification de la rigidité des cellules, mais de façon soutenue dans le temps. Ces deux agonistes augmentent aussi l'interaction entre la membrane et le cytosquelette, un phénomène observé par l'augmentation des forces requises pour l'étirement de la membrane cellulaire. Ainsi, la présente étude montre qu'une cellule peut subir des modifications importantes au niveau de ses propriétés mécaniques suivant son activation par différents agonistes, ce qui peut avoir des conséquences directes sur certaines fonctions physiologiques dépendantes des propriétés mécaniques des vaisseaux. En effet, ces changements observés au niveau de la cellule pourraient, entre autres, contribuer au contrôle du diamètre et de la compliance des capillaires, à l'adhésion des cellules inflammatoires ainsi que modifier la perception de stimuli mécaniques par les cellules endothéliales.

Les cellules musculaires lisses (CML) vasculaires les composants cellulaires principaux de la paroi artérielle, sont exposées constamment aux contraintes mécaniques. Les contraintes mécaniques cycliques régulent de nombreuses fonctions des CML vasculaires via les intégrines. Parmi les intégrines, l'[alpha]v[gamma]3 est non seulement un mécano-transducteur mais aussi le récepteur de la prothrombine à la surface des CML. L?activation de l'intégrine [alpha]v[gamma]3 par les contraintes mécaniques pourrait favoriser l'adhésion des CML à la prothrombine et aussi accélérer la génération de thrombine à la surface des CML. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons étudié l'effet des contraintes mécaniques sur la génération de thrombine par les CML et identifié les voies de la signalisation impliquées. Nous avons utilisé un modèle de Flexcell utilisant les CML aortiques de rat, soumises à un étirement cyclique (10%, 1Hz). L'exposition à l'étirement cyclique pendant 1h et 6h induit un phénotype de différenciation et non-apoptotique des CML et une augmentation de l'expression de l'intégrine [alpha]v[gamma]3. Il y a aussi une augmentation de la phosphorylation de Src, FAK, AKT de façon temps dépendant et une augmentation de la phosphorylation de l'ILK à 15 min et du clivage de taline de 5 à 60 min. L'étirement cyclique augmente l'adhésion des CML à la prothrombine et la génération de thrombine avec un effet maximum à 6h de 67% et 30% respectivement. Le peptide mimétique de l'intégrine [alpha]v[gamma]3 (cRGDPV) et le siARN [alpha]v bloquent tous les effets de l'étirement cyclique sur les CML. Le siARN taline inhibe l'expression de la sous-unité [alpha]v et également la phosphorylation de Src, AKT et ILK. Le siARN ILK n'a pas d'effet sur l'expression de l'[alpha]v mais inhibe la phosphorylation d'AKT et le clivage de taline à 6h de l'étirement cyclique. Ainsi, l'étirement cyclique induit une plus forte génération de thrombine par les CML vasculaires via l'activation des voies de signalisation dépendante de l'[alpha]v[gamma]3. Cette étude suggère que la génération de thrombine intravasculaire peut être régulée par des antagonistes de l'intégrine [alpha]v[gamma]3 et peut devenir une nouvelle cible thérapeutique chez les patients avec une pression pulsée élevée / Vascular smooth muscle cells (SMC), the main cellular components of the arterial wall, are constantly exposed to mechanical stretch. Cyclic mechanical stress regulates many functions of vascular SMC via integrins. Among the integrins, [alpha]v[gamma]3 is not only a mechanotransducer but also the receptor of prothrombin in the vascular SMC. Activation of integrin [alpha]v[gamma]3 by mechanical stretch may promote SMC adhesion to prothrombin and also accelerate thrombin generation on the surface of SMC. To test this hypothesis, we have studied the effect of mechanical stretch on the generation of thrombin by SMC and identified possible signaling pathway involved. We used a Flexcell model using rat aortic SMC subjected to cyclic stretch (10%, 1Hz). Exposure to cyclic stretch for 1h and 6h induced a phenotype of differentiation and non-apoptosis of SMC and an increased expression of integrin [alpha]v[gamma]3. There was also an increase in phosphorylation of Src, FAK, and AKT in a time dependent manner, increased phosphorylation of ILK at 15min and the cleavage of talin from 5 to 60min. Cyclic stretch increased the adhesion of prothrombin to the SMC, and thrombin generation with a maximum effect of 67% and 30% respectively. A peptide mimetic of integrin [alpha]v[gamma]3 (cRGDPV) and [alpha]v siRNA both blocked all the effects of cyclic stretch on SMC. A talin siRNA inhibited the expression of [alpha]v and the phosphorylation of Src, AKT and ILK. An ILK siRNA has no effect on the expression of [alpha]v but inhibited the phosphorylation of AKT and the cleavage of talin at 6h of stretch. Thus, cyclic stretch induced a higher thrombin generation by vascular SMC via activation of signaling pathways dependant on [alpha]v[gamma]3. This study suggests that intravascular thrombin generation can be regulated by antagonists of integrin [alpha]v[gamma]3 and can become a new therapeutic target for the patients with a high pulse pressure

La cellule répond aux contraintes physiques exercées par son environnement par un ensemble de mécanismes regroupés sous le terme de mécanotransduction. Ces processus font appel aux molécules impliquées dans l’adhésion cellulaire, au cytosquelette et au noyau. Ces contraintes environnementales, qu’elles soient liées à la rigidité du support, à sa topographie ou à la nature de sa chimie de surface, vont moduler la morphologie cellulaire et impacter le comportement de la cellule. Afin d’étudier cette influence du support, nous avons ensemencé des cellules souches mésenchymateuses (CSMs) de moelle osseuse (MO) issues d’une culture primaire sur des surfaces de mica vierges ou fonctionnalisées de façon homogène avec des molécules naturelles (la fibronectine FN et le peptide RGD cyclique) ou avec des multicouches de polyélectrolytes PEM (cinq cycles de Chitosan/PAA ou de Chitosan/PSS). Nous avons ensuite étudié la morphologie, la prolifération et la différenciation de ces cellules après 12 jours de culture. Il en résulte que les CSMs de MO adhèrent sur toutes les surfaces, traitées ou non, et bien que leur étalement soit moindre sur les surfaces vierges, elles adoptent une morphologie de type fibroblastique similaire à leur phénotype physiologique. Leur pourcentage de confluence varie significativement en fonction du traitement de surface utilisé. En effet la confluence maximale a été observée pour les surfaces greffées avec la FN (93.25 ± 2.75 %) alors que les surfaces traitées avec les PEM présentent des pourcentages de confluence bien plus faibles (61.00 ± 4.08 % pour le couple chitosan/PAA et 54.75 ± 1.75 % pour le couple Chitosan/PSS), s’expliquant principalement par une latence cellulaire en début de culture. Enfin, les cellules cultivées sur nos surfaces ne réagissent à aucune des trois colorations Oil Red O, Alcian Blue ou Alizarin Red S, suggérant une absence de différenciation dans les voies adipogénique, chondrogénique ou ostéogénique induite par ces surfaces. Ainsi, le contrôle de la chimie du support ne permet pas à lui seul un contrôle de la différenciation cellulaire. Cette étude ouvre la voie à l’étape suivante au cours de laquelle l’influence des supports à chimie et géométrie contrôlées. De même, la souche E.coli (bactérie pathogène) répond aux contraintes physiques et chimiques qui lui ont été imposées. Ces contraintes qu’elles soient liées à la topographie ou la nature de la chimie de surface font appel à des molécules naturelles impliquées dans le comportement des bactéries et leur morphologie en particulier sur leur taille. Pour étudier cet impact, nous avons mis en contact la souche E.coli E2146 avec des surfaces de mica vierges ou traitées de façon homogène ou patternée avec des molécules naturelles (la FN et le peptide RGD cyclique). Ensuite, nous avons étudié le taux de recouvrement et la taille des bactéries. Il en résulte que les bactéries adhèrent sur l’ensemble des surfaces bien que l’adhésion soit moindre sur les surfaces de mica vierges. Leur taux de recouvrement varie significativement pour une surface donnée. En effet, le taux de recouvrement et la taille maximaux sont observés sur des surfaces patternées greffées avec la FN, ce qui prouve leur efficacité et l’impact qu’elles ont sur le comportement de E.coli. Nous avons donc démontré dans ce travail de thèse l’influence des propriétés de surfaces sur la croissance de cellules vivantes telles que les cellules souches ou les bactéries. / The cell responds to the physical constraints exerted by its environment by a set of mechanisms grouped under the term of mechanotransduction. These processes involve the molecules involved in cell adhesion, the cytoskeleton and the nucleus. These environmental constraints, whether related to the rigidity of the support, to its topography or to the nature of its surface chemistry, will modulate the cellular morphology and impact the behavior of the cell. In order to study this influence of the support, we have seeded bone marrow mesenchymal stem cells from a primary culture on virgin mica surfaces or functionalized homogeneously with natural molecules (fibronectin and the cyclic RGD peptide) or with polyelectrolyte multilayers (five cycles of Chitosan/PAA or Chitosan/PSS). We then studied the morphology, proliferation and differentiation of these cells after 12 days of culture. As a result, bone marrow mesenchymal stem cells adhere to all surfaces, whether treated or not, and although they are less spread on virgin surfaces, they adopt a fibroblastic type morphology similar to their physiological phenotype. Their percentage of confluence varies significantly depending on the surface treatment used. Indeed the maximum confluence was observed for the surfaces grafted with fibronectin (93.25 ± 2.75%) whereas the surfaces treated with the polyelectrolyte multilayers have much lower confluence percentages (61.00 ± 4.08% for the chitosan/PAA couple) and 54.75 ± 1.75% for the Chitosan/PSS couple), mainly due to cell latency at the beginning of culture. Finally, cells cultured on our surfaces do not respond to any of the three Oil Red O, Alcian Blue or Alizarin Red S stains, suggesting a lack of differentiation in the adipogenic, chondrogenic or osteogenic pathways induced by these surfaces. Thus, the control of the support chemistry alone does not allow control of cell differentiation. This study paves the way for the next step in which the influence of controlled chemistry and geometry media will be studied. Similarly, the E. coli strain (pathogenic bacterium) responds to the physical and chemical constraints imposed on it. These constraints, whether related to the topography or the nature of surface chemistry, involve natural molecules involved in the behavior of bacteria and their morphology, in particular their size. To study this impact, we contacted E.coli strain E2146 with virgin mica surfaces or treated homogeneously or patterned with natural molecules (fibronectin and cyclic RGD peptide). Then we studied the recovery rate and the size of the bacteria. As a result, the bacteria adhere to all surfaces although adhesion is less on virgin mica surfaces. Their recovery rate varies significantly for a given area. Indeed, the recovery rate and the maximum size are observed on patterned surfaces grafted with fibronectin which proves their effectiveness and the impact they have on the behavior of E. coli. We have therefore demonstrated in this thesis the influence of surface properties on the growth of living cells such as stem cells or bacteria.

Le travail présenté dans cette thèse est le résultat d'une collaboration fructueuse entre la chimie, la physique et la biologie. En effet, des matériaux avec des propriétés physico-chimiques très contrôlées ont été mis à profit dans le but de caractériser des fonctions cellulaires complexes. Nous présentons tout d'abord la création d'un outil permettant l'étude de la mécanotransduction cellulaire. L'originalité de cet outil est basé sur son activation par étirement permettant de lier réversiblement les cellules à la surface. Nous avons ensuite étudié des comportements de cellules souches et cancéreuses en réponse à des microtopographies sous forme de piliers. Cette approche a permis de définir un comportement cancéreux caractérisé par une déformation prononcée des corps et noyaux cellulaires. Nous montrons aussi que l'utilisation de cette surface couverte de micro-piliers permet de décrire la mécano-biologie de cellules cancéreuses. En effet, ce substrat à topographie contrôlée a permis de montrer que la chimie et la rigidité du substrat n'ont que peu d'incidence sur la déformation des cellules cancéreuses, alors que les éléments du cytosquelette sont primordiaux et que sans eux, la déformation n'est pas possible. Nous avons ensuite inhibé une à une des protéines de l'enveloppe et de la lamina nucléaire afin d'évaluer leur implication dans ces mécanismes de déformation. En parallèle, un séquençage total des ARN (Acides RiboNucléiques) de cellules déformées et non déformées a été réalisé dans le but de visualiser d'éventuelles modifications dans l'expression génique. Ces déformations des cellules cancéreuses entre les micro-piliers ont été comparées à celles que subissent les cellules lors de la traversée de membranes poreuses (Chambres de Boyden). Ces comparaisons nous ont permis d'identifier que plusieurs mécanismes peuvent aboutir à la déformation de cellules cancéreuses et en particulier de leurs noyaux. Nous montrons dans une dernière partie que la mitose cellulaire s'effectue sur les surfaces microstructurées. Nous décrivons une ségrégation des chromosomes qui semble être non parallèle. Toutefois, ces divisions atypiques ne causent pas davantage d'accidents mitotiques. / The work shown in this thesis is the outcome of a successful collaboration between chemistry, physics and biology. Indeed, materials with well controlled parameters have been used in order to characterize complex cellular functions. We first introduce the creation of one tool which allow the study of cells mechanotransduction. The originality of this tool is based on its activation by stretching which allow a reversible adhesion of cells to the surface.Then, we studied the behavior of stem cells and cancerous cells on micropillared surfaces. This approach allowed us to describe a cancerous behavior of cells characterized by strong deformations of cells bodies and nuclei. We also showed that the use of such micropillared surfaces allowed us to describe cancerous cells mecanobiology. Indeed, this substrate with a well controlled topography allowed us to show that substrates chemistry and stiffness have only little effects on cancerous cells deformation while cytoskeleton components are necessary. More specifically, the deformation is impossible without the cytoskeleton. We also inhibited the nuclear envelope proteins and nuclear lamina proteins in order to evaluate their involvement in cells deformation mechanism. In the same time, a total RNA (RiboNucleic Acids) sequencing of deformed and non deformed cells have been done in order to identify an eventual modification in gene expression.These deformations of cancerous cells between micropillars have been compared to the deformation of cells during the transmigration through porous membranes (Boyden chambers). These comparisons allowed us to identify several mechanisms which lead to cells deformation and more specifically to nuclei deformation.We showed in a last part that cells can divide on micropillared surfaces. We described a non parallel like segregation of chromosomes. However, these unusual mitosis didn't lead to supernumerary troubles in cell division.

Ce travail vise à décrire la réponse mécanique de matériaux divisés tels que les mousses aqueuses et les matériaux granulaires. Ces systèmes ont un comportement de type élastique à faible déformation et plastique au-delà d'une déformation seuil. Le caractère localisé des événements de plasticité et la longue portée des interactions élastiques conduisent à des phénomènes comparables de localisation d'écoulement, d'intermittence et de vieillissement induit par le cisaillement. Nous avons cherché à les étudier au moyen d'approches expérimentales et numériques variées associant des mesures aux échelles locales et globales. Nous avons par ailleurs développé des mesures, résolues spatialement, des déformations et contraintes mécaniques aux interfaces de frottement. Nous avons notamment développé un capteur tribologique, utilisant des micro-capteurs de force de type MEMS, qui permet une mesure dynamique des contraintes à la base d'un film élastique en frottement. Ce senseur, qui constitue un analogue rudimentaire du système mécanorécepteur/peau, a été mis à profit dans le cadre d'une étude de la transduction de l'information tactile dans le toucher humain par une approche de type bio-mimétique.

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.

Mon travail se concentre sur la morphogenèse épithéliale pendant l’élongation embryonnaire de C. elegans. Ce processus s’appuie sur la transmission de signaux mécaniques, jouent un rôle essentiel également au cours de l’homéostasie tissulaire. Le gène pak-1 joue un rôle essentiel au cours des tels processus à la fois chez l’homme et dans l’élongation chez C. elegans. Nous avons montré que α-spectrine (SPC-1) est un nouveau partenaire de la kinase PAK-1. Pendant mon doctorat, j’ai confirmé que la perte simultanée de PAK-1 et de SPC-1 induit des défauts sévères d’élongation, impliquant une rétractation et un collapse général de l’embryon et suggèrent la présence de défauts biomécaniques. Mon travail était destiné à déterminer comment la perte de PAK-1 et SPC-1 influence le comportement mécanique des cellules épidermales. Cette étude permettra de mieux d’établir le rôle de SPC-1 et de PAK-1 dans la morphogenèse épithéliale et de mieux comprendre la régulation des propriétés mécaniques des cellules dans un contexte vivant. / I study epithelial morphogenesis during C. elegans embryonic elongation. This process depends on mechanical cues that also influence tissue homeostasis. The pak-1 gene plays an essential role equally during such processes in human and during C. elegans elongation. Our work identified α-spectrin (SPC-1) as a new interactor of the kinase PAK-1. During my PhD I confirmed that the simultaneous lack of PAK-1 and SPC-1 induces serious elongation defects, including a retraction and general collapse of the embryo and suggests that the mechanical properties of the epidermis are modified. My work aimed to determine how the simultaneous lack of PAK-1 and SPC-1 could influence these processes. Such studies would allow to better establish the role of SPC-1 and PAK-1 during epithelial morphogenesis and to better understand the regulation of cellular mechanical properties in the living organisms.

À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most commonly occurring musculoskeletal deformity among children today. It is generally well accepted in scoliosis research that mechanical forces, especially the internal biomechanical forces of the musculoskeletal system, could well have a major role in the induction and pathogenesis of the disease. However, the process by which mechanical loads or stimuli are converted into biochemical activity (mechanotransduction) has not been explored so deeply. This emerging facet of research in AIS holds much promise for new insights into the disease. Here, we aim to characterize mechanotransduction in scoliosis patients using some novel techniques at both the in vivo and in vitro levels. Previously in our lab, we demonstrated that the level of plasma osteopontin (OPN) and sCD44 in the human body is a strong indicator of disease progression and severity, and that these changes are observable before scoliosis onset. In the literature, OPN in vitro is known to be mechanosensitive, showing upregulation in response to mechanical stress in a variety of cell types across many species. However, to the best of the author’s knowledge, no literature exists as to whether this behaviour carries over in vivo in humans. A major difficulty in AIS research is the heterogeneity of the disease, both physically and biochemically. Because of this, many times it is difficult to find results with wide applicability to patients. Study of biomechanical factors in AIS is no exception. We believe, however, that study of fluid shear stress in the musculoskeletal system may be able to solve this problem for mechanotransduction-related issues in AIS. Native physiological fluid shear stresses in humans are experienced in the musculoskeletal system, caused by fluid movement over cells therein. These fluid shear stresses are omnipresent and universal in all humans, regardless of age, gender, fitness level, etc., which means that studying it could very well go a long way towards establishing a fundamental basis of understanding the differences as to mechanotransduction in scoliosis patients as opposed to normal cases. In this project, then, we advanced the hypothesis that AIS patients are distinguishable in the way they respond to mechanical force at both the cellular level (in terms of gene expression) as well as globally at the in vivo level (in terms of the scoliosis marker OPN and its receptor sCD44). To test the in vivo portion of our hypothesis, we recruited a cohort of patients between the ages of 9-17, each one of which fell into one of 4 subject groups: i) surgical cases (pre-surgery, Cobb angle > 45°), ii) moderately affected cases (Cobb angle 10-44°), iii) controls, or iv) asymptomatic children at risk of developing scoliosis matched for age and gender against healthy controls. A dynamic, pulsatile, compressive pressure of variable amplitude from 0-4 psi at 0.006 Hz was applied to the arm of each subject for a period of 90 minutes. Initially and at intervals of 30 minutes after the start of force application, blood samples were taken in order to monitor circulating plasma OPN and sCD44 levels in subjects. We found that the change of circulating OPN levels, but not sCD44 levels, measured in vivo in response to our mechanical stimulation was statistically significantly correlated to status of spinal deformity severity, with more severely affected subjects demonstrating lower magnitudes of ΔOPN. To test the cellular portion of our hypothesis, osteoblasts from severely affected AIS patients and unaffected controls were cultured for use with our parallel plate flow chamber (PPFC) apparatus setup, which permits application of fluid shear stress patterns to cells in a predictable, controllable manner. Subjects were all females who fell into the 11-17 years age range, with scoliotic patients presenting with double major curves. A dynamic, sinusoidal and oscillatory fluid shear stress pattern was applied to osteoblasts at 2 Pa, 0.5 Hz for 90 minutes. Overall gene expression changes across RNA samples as a result of our stimulation were measured using microarray and qRT-PCR approaches. In response, only a very small number of genes are either mutually differentially expressed or statistically unchanged across all functional scoliotic subgroups while having the opposite condition in the control group, indicating a great degree of difference in terms of mechanotransductive response as compared internally between AIS functional subgroups, as well as between control and AIS patients. Globally, this project’s work may contribute to the development of innovative diagnostic tools to identify asymptomatic children at risk of developing scoliosis, and to assess the risk of curve progression at an early stage in those already affected. Also, in years to come, the mechanotransductive profile of a patient could be another integral factor to weigh, clinically, when considering or designing treatment plans for affected persons.

À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most commonly occurring musculoskeletal deformity among children today. It is generally well accepted in scoliosis research that mechanical forces, especially the internal biomechanical forces of the musculoskeletal system, could well have a major role in the induction and pathogenesis of the disease. However, the process by which mechanical loads or stimuli are converted into biochemical activity (mechanotransduction) has not been explored so deeply. This emerging facet of research in AIS holds much promise for new insights into the disease. Here, we aim to characterize mechanotransduction in scoliosis patients using some novel techniques at both the in vivo and in vitro levels. Previously in our lab, we demonstrated that the level of plasma osteopontin (OPN) and sCD44 in the human body is a strong indicator of disease progression and severity, and that these changes are observable before scoliosis onset. In the literature, OPN in vitro is known to be mechanosensitive, showing upregulation in response to mechanical stress in a variety of cell types across many species. However, to the best of the author’s knowledge, no literature exists as to whether this behaviour carries over in vivo in humans. A major difficulty in AIS research is the heterogeneity of the disease, both physically and biochemically. Because of this, many times it is difficult to find results with wide applicability to patients. Study of biomechanical factors in AIS is no exception. We believe, however, that study of fluid shear stress in the musculoskeletal system may be able to solve this problem for mechanotransduction-related issues in AIS. Native physiological fluid shear stresses in humans are experienced in the musculoskeletal system, caused by fluid movement over cells therein. These fluid shear stresses are omnipresent and universal in all humans, regardless of age, gender, fitness level, etc., which means that studying it could very well go a long way towards establishing a fundamental basis of understanding the differences as to mechanotransduction in scoliosis patients as opposed to normal cases. In this project, then, we advanced the hypothesis that AIS patients are distinguishable in the way they respond to mechanical force at both the cellular level (in terms of gene expression) as well as globally at the in vivo level (in terms of the scoliosis marker OPN and its receptor sCD44). To test the in vivo portion of our hypothesis, we recruited a cohort of patients between the ages of 9-17, each one of which fell into one of 4 subject groups: i) surgical cases (pre-surgery, Cobb angle > 45°), ii) moderately affected cases (Cobb angle 10-44°), iii) controls, or iv) asymptomatic children at risk of developing scoliosis matched for age and gender against healthy controls. A dynamic, pulsatile, compressive pressure of variable amplitude from 0-4 psi at 0.006 Hz was applied to the arm of each subject for a period of 90 minutes. Initially and at intervals of 30 minutes after the start of force application, blood samples were taken in order to monitor circulating plasma OPN and sCD44 levels in subjects. We found that the change of circulating OPN levels, but not sCD44 levels, measured in vivo in response to our mechanical stimulation was statistically significantly correlated to status of spinal deformity severity, with more severely affected subjects demonstrating lower magnitudes of ΔOPN. To test the cellular portion of our hypothesis, osteoblasts from severely affected AIS patients and unaffected controls were cultured for use with our parallel plate flow chamber (PPFC) apparatus setup, which permits application of fluid shear stress patterns to cells in a predictable, controllable manner. Subjects were all females who fell into the 11-17 years age range, with scoliotic patients presenting with double major curves. A dynamic, sinusoidal and oscillatory fluid shear stress pattern was applied to osteoblasts at 2 Pa, 0.5 Hz for 90 minutes. Overall gene expression changes across RNA samples as a result of our stimulation were measured using microarray and qRT-PCR approaches. In response, only a very small number of genes are either mutually differentially expressed or statistically unchanged across all functional scoliotic subgroups while having the opposite condition in the control group, indicating a great degree of difference in terms of mechanotransductive response as compared internally between AIS functional subgroups, as well as between control and AIS patients. Globally, this project’s work may contribute to the development of innovative diagnostic tools to identify asymptomatic children at risk of developing scoliosis, and to assess the risk of curve progression at an early stage in those already affected. Also, in years to come, the mechanotransductive profile of a patient could be another integral factor to weigh, clinically, when considering or designing treatment plans for affected persons.

La thérapie cellulaire se positionne comme une stratégie prometteuse pour inciter le cœur infarci à se régénérer. A cet effet, des études récentes placent des espoirs considérables dans l’utilisation des cellules souches embryonnaires et notre laboratoire a déjà démontré comment les différencier en progéniteurs cardiovasculaires, un type de précurseurs cellulaires qui ne peut aboutir qu’à la formation de cardiomyocytes, de cellules endothéliales ou de cellules de muscles lisses. Cet engagement précoce réduit leur capacité de prolifération anarchique et en même temps leur permet de rester suffisamment plastiques pour éventuellement s’intégrer plus facilement avec le tissue hôte. Cependant, les études précliniques et cliniques d’injection de ces cellules s’avérèrent décevantes. Malgré de légères améliorations de la fonction cardiaque, on observa une trop faible survie cellulaire ainsi qu’un taux de rétention des cellules dans le myocarde remarquablement bas. Afin d’étudier ce problème, mes travaux de thèse ont porté non seulement sur la conception de nouveaux biomatériaux pouvant servir de moyen de transport et d’intégration des cellules dans la zone infarcie, mais aussi sur la conception de biomatériaux permettant de contrôler précisément l’environnement cellulaire au cours du processus de différenciation de cellules souches pluripotentes humaines en cardiomyocytes. Grâce aux importantes interactions entre nos laboratoires de recherche fondamentale et de recherche clinique, nous avons tout d’abord développé de nouvelles techniques de fabrication et de caractérisation de patches de fibrine cellularisés qui sont récemment entrés dans un essai clinique de phase I. A partir de cette formulation clinique approuvée par les autorités de régulation, nous avons élaboré toute une gamme de matériaux composites uniquement à base de matières premières pertinentes dans ce cadre clinique, dans le but d’améliorer la maturation des progéniteurs cardiovasculaires une fois greffés sur le cœur défaillant. Dans cette optique, nous avons également développé un modèle in vitro permettant d’étudier précisément l’influence combinée de la rigidité du substrat et du confinement spatial sur la différenciation des cellules souches en cardiomyocytes. Grâce à des techniques de microfabrication sur substrat mou, il a été possible de positionner précisément les cellules souches pluripotentes dans des espaces restreints d’élasticité variable. Ainsi, nous avons pu observer que même en utilisant des protocoles chimiques éprouvés basés sur la modulation de cascades de signalisation impliquées dans le développement cardiaque, une très forte hétérogénéité pouvait apparaître en fonction de l’environnement physique des cellules. Nous avons ainsi pu extraire les caractéristiques principales permettant une différenciation cardiaque efficace, reproductible et standardisée et les avons appliquées à la fabrication d’une nouvelle génération de patches composés de matériaux cliniques et de couches multiples de bandes synchrones de cardiomyocytes. De fait, ces travaux ouvrent de nouvelles voies dans l’utilisation de biomatériaux pour la production industrielle de cardiomyocytes et pour la fabrication de patches cliniques, cellularisés ou non, dans le traitement de l’insuffisance cardiaque. / Cell therapy is a promising strategy to help regenerate the damaged heart. Recent studies have placed a lot of hopes in embryonic stem cells and our lab had previously found a way to differentiate them into cardiac progenitors, cells that can only differentiate into cardiomyocyte, endothelial cells or smooth muscle cells. This early commitment decreases their proliferative capabilities, yet maintains their plasticity for better integration inside the host tissue. However, clinical and pre-clinical injection studies did not really meet the expectations. Even though slight improvements in cardiac function were demonstrated, very low cell viability has been observed, as well as a very low retention of the cells inside the myocardium. To address this problem, my PhD projects not only focus on the design of new biomaterials to act as a vehicle for cell delivery and retention in the infarcted area, but also on the design of biomaterials that control the cellular environment during the differentiation of pluripotent stem cells into cardiomyocytes. Going back and forth between the labs and the clinics, we first developed new techniques for the fabrication and the characterization of a cell-laden fibrin patch that is now undergoing phase I clinical trial. From the approved clinical formulation, we then propose new blends of clinical materials that will eventually improve the maturation of the cardiac progenitors once grafted onto the failing heart. In this perspective, we developed an in vitro model to investigate the combined influence of matrix elasticity and topographical confinement on stem cell differentiation into cardiomyocytes. By using microfabrication techniques to pattern pluripotent stem cells on substrates of controlled stiffness, we demonstrate that even using a widely recognized chemical-based protocol to modulate signaling cascades during differentiation, much heterogeneity emerges depending on the cellular physical environment. We thus extracted the main features that led to controlled and reproducible cardiac differentiation and applied it to the fabrication of next generation of multi-layered anisotropic cardiac patches in compliances with clinical requirements. This work opens new routes to high-scale production of cardiomyocytes and the fabrication of cell-laden or cell-free clinical patches.