Abstract The stem cell is a primitive cell that is capable of dividing to reproduce itself and can give rise to a selection of differentiated progeny. Stem cells are thought to be involved in or even main factors in many diseases. In postnatal humans, mesenchymal tissues have the capacity to regenerate from stem cells called mesenchymal stem cells (MSC). It is currently thought that these cells will become the basis of therapy for many diseases. In the present study, a novel in vitro method was developed to examine human bone marrow derived MSC differentiation into osteoblast lineage, and to study the role of MSC in a variety of mesenchymal diseases. The ability of MSCs to differentiate into osteoblasts was investigated during aging. In addition, the interindividual variability in the osteogenesis of MSCs and in the osteoblastic response of MSC to estrogen and testosterone was studied. Furthermore, an ex vivo model using a human aortic valve microenvironment was developed to explore whether the extracellular matrix influences the osteoblastic differentiation of the MSC. Finally, the role of MSC in neurofibromatosis type 1 (NF1) related congenital pseudarthrosis of the tibia (CPT) was studied. It was found that after menopause the osteogenic potential of MSCs does not decrease. It was also found that estrogen receptor (ER) alpha genotype confers interindividual variability of response to estrogen and testosterone in MSC derived osteoblasts. In addition, it was found that the non-calcified valves with living valve cells inhibited osteogenesis of co-cultured MSCs, whereas the calcified and devitalised valves promoted differentiation towards an osteoblastic lineage. Finally, MSCs from NF1-related pseudarthrosis showed altered NF1 gene expression, poor osteoblastic differentiation and bone formation. In conclusion, MSC can be easily isolated from the bone marrow and MSC has the capacity to regenerate tissue even at later stages of life. These results could help explain the contradictory effects of 17β-estradiol (E2) on osteoblasts in vitro and might also provide new insights into understanding the differences in responses to hormone replacement therapy. It seems that adult stem cells from bone marrow undergo milieu-dependent differentiation to express phenotypes that are similar to cells in the local microenvironment. Finally, the NF1 gene was shown to have a role in bone development and remodelling.

In the first part of these studies, we have performed standard microsurgical procedures provide a solution for long standing bone and soft tissue defects, even in cases of longstanding osteomyelitis of long bones. When long bony segments are missing, the microvascular bone transfer provides a reliable method. In smaller soft tissue and bone defects, the application of a descending genicular osteomyocutaneous flap provides an option with low donor site morbidity. In the second part, we have focussed on reducing the donor site morbidity and expanded on the application of tissue engineering methods. MSCs derived from bone marrow can be injected percutaneous or be combined with an autologous bony scaffold for treatment of delayed union and nonunion. The outcome of our studies, however, limited in number of patients, clearly showed the possibilities and advantages of this new approach. A multimodality approach is essential, but it can provide promising solutions. Well-established microvascular and modern biotechnology methods will improve patient satisfaction and functional recovery in severe limb trauma, often the result of high-energy motorcycle accidents. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Un patient peut souffrir d’une perte de substance osseuse de taille critique suite à des accidents ou des pathologies. Aujourd’hui, le traitement le plus fréquent consiste en la greffe du tissu osseux (autogreffe ou allogreffe). Compte tenu des complication rencontrées (réponse immunologique, morbidité du site donneur), la recherche actuelle s’inscrit dans la recherche de synthèse d’un biomatériau bioactif favorisant la régénération osseuse. Ces matériaux devraient imiter les qualités de la matrice extracellulaire osseuse pour stimuler la formation osseuse.Les cellules souches mésenchymateuses jouent un rôle important du fait de leur capacité de prolifération et différentiation en ostéoblastes. Pour profiter de ce potentiel des cellules souches, il est nécessaire de comprendre comment contrôler leur comportement et mesurer l’impact du microenvironnement cellulaire sur la différenciation ostéogénique de ces cellules. Comme les cellules souches mésenchymateuses sont capables de différencier en plusieurs phénotypes différents, il est indispensable de les diriger dans la direction désirée. Plusieurs facteurs qui influencent le devenir cellulaire ont été identifiés, comme certains peptides bioactifs, des facteurs mécaniques comme la rigidité, ou la topographie de surface de matériaux.Dans la matrice extracellulaire naturelle du tissu osseux, les cellules souches mésenchymateuses sont entourées d’une variété de principes actifs, dont le plus abondant est le collagène I. Cette protéine s’assemble pour former des nanofibres qui présentent une nanomorphologie périodique avec une périodicité bien définie. La question posée au début de ce travail était: Cette structure a-t-elle un impact sur la différenciation des cellules souches?Pour étudier l’impact de la périodicité nanofibrillaire, nous proposons dans ce travail de recherche l’utilisation d’hélices modèles qui miment en partie la morphologie du collagène. Les hélices nanométriques auto-assemblées des surfactants gemini peuvent avoir un pas d’hélice et un diamètre similaires à ceux du collagène. La modulabilité de ces paramètres et la possibilité de modifier ces structures par des molécules bioactives permettent de moduler les caractéristiques des nanoobjets et d’étudier l’impact de ces nanomatériaux sur les cellules souches mésenchymateuses. / Tissue engineering is a field related to regenerative medicine which aims at replacing or regenerating a patient’s tissue, usually using a combination of cells and bioactive material designed to influence cell behaviour. In approaches for bone regeneration, human mesenchymal stem cells (hMSCs) are a common choice because of their ability to proliferate and differentiate into osteoblasts. Harnessing this potential requires biomaterials which promote osteoblastic differentiation, for example by mimicking the conditions in natural bone. Collagen I is a common protein in human bone; it forms fibrils with a characteristic periodic structure, which raises the question whether this morphology has in impact on stem cell fate. Collagen-mimicking nanomaterials can help investigate this question: Gemini surfactants with chiral counterions form twisted bilayers the morphology of which can be tuned by variation of enantiomeric excess, time and temperature. The self-assembled helical nanoribbons which are obtained by this process can be transformed by a sol-gel condensation to form silica nanohelices the size and twist pitch of which resembles that of collagen fibres. The objective of this study is to prepare 2D culture environments featuring these nanomaterals (with and without bioactive peptide functionalisation) to explore the effect of these materials on hMSC differentiation.Silica helices are fabricated by synthesis of surfactants with tartrate as counterion, and organic-inorganic transcription using a silica precursor compound. They can be modified by reaction with APTES and an N-hydroxysuccinimide ester and covalent immobilisation of a peptide. Two peptides were used in this study, one adhesion-promoting peptide and the active domain of the osteogenesis-inducing peptide BMP2. Helices with or without this bioactive functionalisation were covalently grafted to glass substrates using APTES and EDC/NHS-coupling. The presence of peptides on helices was shown by the absorption of helix-grafted peptides bearing the FITC-fluorophore. Successful peptide grafting onto glass surfaces was verified by XPS and fluorescence microscopy. The morphology of helices was monitored with TEM and SEM. SEM images were used to determine the amount of helices on surfaces. HMSCs were cultivated for four weeks on surfaces modified with APTES, peptide(s) or left- or righthanded nanohelices, functionalised or not with bioactive peptide(s). After fixation, the quantities of the osteogenic markers Runx2 and Osteocalcin (OCN) in the cells were evaluated. The results show that BMP2-functionalised surfaces exhibited an elevated level of Runx2 and OCN expression. Some helix-grafted materials exhibited a significantly higher Runx2 and/or OCN expression than the corresponding homogeneous materials, but these differences were not consistent across samples of the same chiral orientation or bioactive functionalisation. Therefore, conclusive general statements about differences in osteogenic effect between helix functionalisations and handednesses aredifficult to make. A potential reason for this is the variability of surface coverage of helix-grafted materials: As the quantity of helices that are immobilised onto the surfaces is lower than expected and varies greatly between the samples, the number of cells that are not in contact with the helices might change as well, which can lead to false negatives.The results of a proteomic experiment have shown which proteins are differentially expressed in cells cultured on helices with or without BMP-functionalisation, compared to bare glass. Comparison with other proteomic studies shows that proteins which are known to be upregulated during osteogenic differentiation are overexpressed most frequently in cells cultured on BMPmodified helices. The proteins that were identified with this method might serve as starting point for future investigations.

L’arthrose et la polyarthrite rhumatoïde sont deux atteintes ostéo-articulaires qui affectent les tissus cartilagineux et osseux. Elles représentent un réel problème de santé publique de par leur prévalence et le manque de traitements curatifs. Des approches innovantes de thérapie cellulaire sont en cours d’évaluation dans ces maladies. Elles sont basées sur l’utilisation des cellules souches mésenchymateuses (CSM), qui possèdent des propriétés immunosuppressives et régénératrices, et pourraient apporter de nouveaux espoirs aux patients. Ces cellules sécrètent des vésicules extracellulaires, moyen de communication intercellulaire puissant, qui sont classées en 3 populations : exosomes, microparticules (MPs) et corps apoptotiques. Dans cette étude, nous proposons d’étudier et de comparer les effets in vitro et in vivo des exosomes et des MPs sécrétés par les CSMs. Nous montrons pour la première fois que les exosomes et les MPs de CSMs exercent in vitro des effets anti-inflammatoires, anti-apoptotiques et chondroprotecteurs similaires. In vivo, seuls les exosomes exercent un effet thérapeutique dans un modèle expérimental de polyarthrite rhumatoïde. En revanche dans un modèle expérimental d’arthrose, les exosomes et les MPs protègent le cartilage et l’os de la dégradation et ce, de manière équivalente. Cette étude est la première preuve de concept que des exosomes et/ou des MPs isolés de CSMs ont un effet thérapeutique dans des maladies rhumatismales. / Osteoarthritis and rheumatoid arthritis are osteoarticular diseases affecting primarily cartilage and bone. They are a high public health problem because of their prevalence and absence of curative treatment. Innovating cell therapy approaches are being evaluated in the clinic for treating these diseases. They rely on the use of mesenchymal stem cells (MSCs), which display immunosuppressive and regenerative functions and could provide new hope for patients. These cells release extracellular vesicles, which are very powerful tools for intercellular communication and are classified into 3 populations: exosomes, microparticles (MPs) and apoptotic bodies. In the present study, we characterize and compare the in vitro and in vivo effects of MSC-derived exosomes and MPs. We show for the first time that exosomes and MPs exert in vitro anti-inflammatory, anti-apoptotic and chondroprotective functions. In vivo, only exosomes exert a therapeutic effect in an experimental model of inflammatory arthritis. However in a model of osteoarthritis, both exosomes and MPs protect cartilage and bone from degradation, in a similar fashion. This study provides the proof-of-concept that MSC-derived exosomes and/or MPs exert a therapeutic effect in rheumatic diseases.

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Au début de ma thèse, je me suis intéressé aux processus qui sous-tendent la communication cellulaire et plus spécifiquement les interactions cellule-cellule. Pourquoi une cellule établit-elle un contact spécifique avec une autre cellule ? Comment les cellules répondent-elles à cette interaction et quels en sont les effets ? J'ai utilisé comme modèle d'étude l'interaction entre les cellules souches/stromales mésenchymateuses (CSM) et des lignées de cancer du sein. L'objectif de mon travail a été d'analyser les mécanismes de ces interactions entre CSM et cellules cancéreuses et d'en évaluer les effets sur les fonctions des cellules cancéreuses. En effet, des mécanismes de recrutement des CSM aux sites tumoraux ont été décrits avec des effets sur la progression tumorale, ce qui ouvre par ailleurs des perspectives pour de nouvelles approches thérapeutiques. J'ai tout d'abord développé un système expérimental de microscopie confocale en temps réel pour observer le type d'interaction qui est produit entre les CSM humaines et les cellules de carcinomes mammaires MDA-MB-231 et MCF7. J'ai constaté la formation dynamique de structures tubulaires entre les deux types cellulaires et, de façon surprenante, le passage des mitochondries des CSM vers les cellules cancéreuses. En un deuxième temps, j'ai utilisé un système d'invasion dans une matrice 3D de collagène, que nous avons adapté à la coculture, afin d'observer les effets de l'interaction des MDA-MB-231 avec les CSM. En accord avec la littérature, nous avons constaté une augmentation du pouvoir invasif des cellules cancéreuses, effet qui pouvait être lié au transfert des mitochondries provenant des CSM. Pour répondre à cette question, j'ai mis au point un protocole pour transférer spécifiquement des mitochondries, isolées à partir de cellules, vers d'autres cellules. Ce protocole, exploité dans ce manuscrit pour le transfert de mitochondries de CSM vers les cellules cancéreuses MDA-MB-231, peut être transposé à d'autres types cellulaires et fait l'objet d'une demande de brevet. Nos données indiquent que l'acquisition de mitochondries de CSM par les cellules cancéreuses modifie leurs propriétés fonctionnelles et augmente leur capacité de prolifération et d'invasion. Concernant leur activité métabolique, on observe une augmentation de leur respiration mitochondriale et de leur production d'ATP. Nos données préliminaires suggèrent aussi une augmentation de l'expression transcriptionnelle d'enzymes impliquées dans la synthèse des lipides et l'oxydation des acides gras. Ces données, générées grâce au protocole de transfert artificiel de mitochondries mis au point, montrent pour la première fois que les mitochondries des CSM peuvent majorer certaines propriétés cellulaires liées à la progression tumorale, comme la prolifération et l'invasion, et contribuer à une reprogrammation métabolique des cellules cancéreuses. Elles s'intègrent au rôle proposé par la communauté scientifique pour les CSM dans le microenvironnement tumoral. La technique de transfert artificiel de mitochondries nous permettra de répondre à d'autres questions restées ouvertes, comme le rôle possible des mitochondries des CSM dans les résistances développées par les tumeurs vis-à-vis des agents anti-cancéreux. Le protocole de transfert de mitochondries développé au laboratoire constitue une technique de choix et offre de nombreux avantages comparativement à d'autres techniques comme la micro-injection et la génération des hybrides cytoplasmiques. Sa mise en œuvre est en effet simple et reproductible et permet de traiter une grande quantité de cellules. Cette méthode permet d'envisager de nombreuses perspectives et applications dans le domaine de la reprogrammation métabolique, comme par exemple de restaurer les capacités d'une cellule dysfonctionnelle par le transfert de mitochondries issues d'une cellule saine et « métaboliquement active ». / At the beginning of my thesis, I was interested in the process involved in cell communication, more specifically in cell-to-cell interactions. Why does a cell specifically establish contacts with another one, how do cells respond to these interactions and what are the effects? As a model to answer these questions, I studied the interactions between MSCs and two breast cancer cell lines. The study of the communications between MSCs and tumor cells is an alternative to explore and understand tumor progression. MSC recruitment to the tumor is shown to favor the progression of the disease. The mechanisms of this dialogue are multiple and are the object of a great number of studies that aim at finding new therapeutic approaches. The objective of this work was to analyze the interactions between MSCs and cancer cells and evaluate the potential effects of this communication in tumor progression. First, I developed an experimental system of real time confocal microscopy in order to observe the interaction produced between MSCs and the breast carcinoma MDA-MB-231 and MCF-7 cells. I noticed the dynamic formation of tubular structures between the two different cell types and, surprisingly, the passage of mitochondria from MSCs to the cancer cells. Second, we used a 3D system of cell invasion in a collagen matrix, which we adapted for the coculture, in order to observe the effects of the interactions between the MDA-MB-231 and MSCs. In agreement with the literature, we observed an increase in the migratory potential of the cancer cells, an effect that could be linked to the transfer of mitochondria from MSCs to the cancer cells. To answer this question, I set up a protocol to specifically transfer to the cancer cells mitochondria isolated from the MSCs and test directly the functional consequences for the cancer cells. This protocol can be used to transfer mitochondria, not only from MSCs but also from other cells. This method is currently submitted to a patent process. Our results show that the transfer of MSC mitochondria to the cancer cells modifies cancer cells functional properties and increase their invasive and proliferative capacities. Concerning the metabolic activity, we noticed an increase in mitochondrial respiration and ATP production. We also observed an increase in the transcription level of enzymes related to the lipid synthesis and fatty acid oxidation. The results generated with this new protocol of mitochondria transfer show, for the first time, that mitochondria originating from MSCs can improve cellular capacities linked to the tumor progression. The role proposed by the scientific community for the interactions of MSCs with the tumor cells fits with the data generated in our work. Several questions remain open. In particular, could the transfer of mitochondria from MSCs to the cancer cells contribute to the acquisition of resistance to anti-cancer agents observed in patients? The protocol of transfer of mitochondria that we developed in the laboratory is a technique of choice and offers many advantages over other techniques such as microinjection and cytoplasmic hybrids; its implementation is simple and reproducible and can target large numbers of cells. This method opens numerous perspectives and potential applications such as the study of metabolic reprogramming. Thus, we could consider restoring the activity of dysfunctional cells by transferring mitochondria from “metabolically active” or healthy cells. In the long term, one of the applications could be transferring healthy or genetically modified mitochondria to zygotes carrying mitochondrial DNA mutations, in order to treat pathologies like infertility, neuro-degenerative diseases, cancer and premature aging.

Malgré l’augmentation des cas de cancers, l’amélioration des thérapies anti-cancéreuses a permis d’accroitre la survie des patients. Bien qu’efficace, la radiothérapie peut induire des complications sévères. La sphère abdomino-pelvienne concentre de nombreux cancers (prostate, vessie…), et des organes à risque lors de la radiothérapie. Le côlon-rectum développe des séquelles sévères chez 20% des patients 20 ans après traitement. La fibrose colorectale est la principale de ces complications. Les traitements actuels de ces lésions sont palliatifs. Les Cellules Souches Mésenchymateuses (CSM) favorisent la régénération tissulaire dans de nombreuses pathologies, y compris fibrosantes, et semblent donc adaptées au traitement des atteintes radio-induites. Néanmoins, les effets des CSM sur la tumeur et sur les complications des radiothérapies sont méconnus. Nos travaux évaluent la sureté et l’efficacité de la transplantation de CSM avant et après radiothérapie colorectale chez le rat. Sur un modèle de tumorigénèse colorectale suivie de radiothérapie, l’injection de CSM a inhibé la croissance tumorale en modifiant le profil des lymphocytes T et macrophages du microenvironnement tumoral. Dans un second modèle, les CSM ont induit une suppression durable de la fibrose colorectale radio-induite. Les protéines HGF et TSG-6 sécrétées par les CSM bloquent l’acquisition du phénotype pro-fibrosant par les cellules sécrétrices de matrice extracellulaire dans le côlon-rectum. Les CSM ont amélioré la survie des animaux dans ces deux modèles. Dans l’ensemble, nos résultats supportent l’utilisation des CSM dans le contexte des complications des radiothérapies abdomino-pelviennes. / Despite the growing number of cancer cases, current anti-cancer treatments greatly improve patients’ survival. Although it is efficient, radiotherapy can induce severe complications. The abdomino-pelvic area regroups cancers with high prevalence (prostate, bladder…) and organs at risk during radiotherapy. Colon and rectum display severe side effects in 20% of patients 20 years after treatment. Colorectal fibrosis is the most frequent of these complications. Existing treatments are only palliative. Mesenchymal Stem Cells (MSCs) promote tissue regeneration in a wide variety of pathologies, fibrosis included, and thus seem fitted for the treatment of radiation-induced disorders. However, the effects of MSCs on tumor growth and radiotherapy induced damages are still unclear. Our work evaluates the safety and efficacy of MSC transplantation before and after colorectal radiotherapy in rats. In a model of chemically-induced colorectal carcinogenesis, followed by radiotherapy, MSC injection suppressed tumor growth by modifying the phenotype of T lymphocytes and macrophages of the tumor microenvironment. In a second model, transplanted MSCs suppressed radiation-induced fibrosis. Two proteins secreted by MSCs, HGF and TSG-6, are responsible for inhibiting extracellular matrix-producing cells, which are the major contributors to fibrosis. MSC injection was associated with increased survival in both studies. Overall, our results support the use of MSCs to treat the side effects of abdomino-pelvic radiotherapy.

L’infection par Helicobacter pylori touche environ la moitié de la population mondiale et est responsable de plusieurs pathologies gastrointestinales incluant l’adénocarcinome gastrique. Le développement récent d’un modèle d’étude chez l’animal a permis d’identifier la nature des cellules à l’origine de la transformation cancéreuse en réponse à l’infection chronique par Hélicobacter. Les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse (MSC) seraient recrutées au niveau de la muqueuse gastrique afin de reconstituer, par un mécanisme de différenciation épithéliale, les glandes lésées par l’infection. L’adénocarcinome gastrique se développerait à partir des glandes reconstituées par les MSC. Les objectifs de ces travaux ont été d’analyser, in vitro par une approche séquentielle, les différentes étapes responsables de l’initiation tumorale incluant le recrutement des MSC au niveau gastrique, leur différenciation en cellules épithéliales et leur transformation tumorale lors de l’infection par H. pylori. Ces travaux ont tout d’abord démontré que les cellules épithéliales infectées par H. pylori peuvent recruter les MSC après sécrétion de certaines chimiokines. Nous avons ensuite montré que les MSC sont capables de fusionner avec les cellules épithéliales gastriques aboutissant à l’obtention de cellules épithéliales dérivées des MSC. Finalement, les interactions entre H. pylori et les MSC ont été étudiées et ont fourni des premiers éléments de compréhension des mécanismes de l’initiation tumorale. Nos résultats permettent de mieux comprendre le mécanisme physiopathologique de l’adénocarcinome gastrique et seront utiles à la compréhension d’autres cancers dans lesquels le rôle des MSC comme cellules initiatrices de tumeur est suggéré. / Helicobacter pylori infection is found in about half of the world population and can induce several gastrointestinal pathologies including gastric adenocarcinoma. An animal model recently led to the hypothesis of a cellular origin for the cancer initiating cells after Helicobacter infection. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSC) are believed to be recruited in the gastric mucosa in order to repair the damages due to infection, by an epithelial differentiation. Gastric carcinoma may rise from MSC reconstituted gastric glands. This study aimed to analyze, by sequential in vitro approaches, the different steps allowing tumor initiation including MSC recruitment by infected epithelial cells, epithelial differentiation of MSC, and cancer marker appearance after H. pylori infection. We first demonstrated that H. pylori infected epithelial cells may recruit MSC by a secretion of cytokines. We then showed that MSC fuse with gastric epithelial cells leading to MSC-derived epithelial cells. Finally, we studied the interaction between H. pylori and epithelial cells providing a preliminary explanation for cancer initiation. Our results allow a better understanding of gastric adenocarcinoma pathophysiology and will be helpful for the understanding of other cancers in which the role of MSC as cancer initiating cells is suspected.

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This thesis engages in a study of mesenchymal stem cell migration in extracellular matrix based on principles of chemotaxis. First, attention is focused on a theoretical part associated with a clarification of basic terms such as extracellular matrix, migration, confocal microscopy, mesenchymal stem cells or chemotaxis. There is also included a list and a description of some basic methods for monitoring cell migration and a more detailed description of a method called transwell assay, which has been chosen for an experiment in a practical part of this thesis. This part includes protocols of individual steps for the preparation of the experiment, the procedure of data processing obtained by scanning cells with a confocal microscope and a description of the resulting confluence values.