L'utilisation grandissante des cellules souches mésenchymateuses (CSM) en ingénierie tissulaire augmente la nécessité d'améliorer leur expansion. Ces travaux ont concerné l'étude d'un procédé performant d'expansion de CSM porcines en mode agité. Tout d'abord, un milieu de culture a été adapté aux CSM porcines multipotentes. Puis, différents modes d'expansion en conditions agitées ont été évalués avec les cellules fixées sur des microporteurs. La culture sur le microporteur Cytodex 1 a permis d'atteindre une vitesse spécifique de croissance de 0,54 j-1, supérieure à celle observée en flacon statique (0,31 j-1), avec les mêmes conditions de culture. En parallèle, une méthode de comptage innovante a été proposée pour le dénombrement automatique des cellules cultivées sur Cytodex 1, sans passer par une étape de trypsination. Enfin, les conditions opératoires du procédé d'expansion ont été étudiées. En comparaison d'une culture de CSM sur Cytodex 1 sans agitation, une agrégation des cellules et une baisse apparente de la concentration cellulaire ont été observées à 25 et 75 rpm. Par ailleurs, l'ajout de microporteurs au cours d'une culture de 300 h, réalisée dans un système de culture agité à 25 rpm et dans un volume de 200 mL, a permis de prolonger la prolifération cellulaire en évitant l'agrégation tout en maintenant la multipotence des CSM. Une concentration cellulaire de 3 x 105 cellules/mL a été obtenue, au lieu de 1,2 x 105 cellules/mL en flacons statiques avec les mêmes conditions de culture. Un procédé performant d'expansion de CSM porcines en conditions agitées a ainsi pu être proposé / The extensive use of mesenchymal stem cells (MSC) in tissue engineering increases the necessity to improve the expansion performance. This work aimed at studying an efficient expansion process for porcine MSC in agitated mode. First, a culture medium was adapted to the multipotent porcine MSC. Then, various expansion modes and agitation conditions were evaluated with the cells fixed on microcarriers. Cultures on the Cytodex 1 microcarrier enabled to reach a specific growth rate of 0.54 d-1, which was higher than the one observed in static T-flasks (0.31 d-1), with the same culture conditions. In parallel, an innovative counting method was proposed for the automatic enumeration of cells cultivated on Cytodex 1, without passing by a trypsination step. Finally, the operating conditions of the expansion process were studied. Compared to a culture of MSC on non-agitated Cytodex 1 microcarriers, cell aggregation occurred and an apparent decrease in the cell concentration was observed at an agitation rate of 25 and 75 rpm. Moreover, the addition of microcarriers during a 300 h culture, performed in an agitated culture at 25 rpm and in a volume of 200 mL enabled to prolong the cell proliferation without any aggregation, while maintaining the multipotency of the cells. A cell concentration of 3 x 105 cells/mL was obtained, instead of the 1.2 x 105 cells/mL in static flasks with the same culture conditions. An efficient expansion process for porcine MSC under agitated conditions has therefore been proposed

La régénération des défauts osseux de taille critique reste un défi majeur pour la santé. Les limitations des greffes de tissus communes nous ont incités à développer une alternative synthétique basée sur la construction d’un biomatériau, des facteurs ostéoinductifs et des cellules souches. Pour la construction du biomatériau, nous nous sommes concentrés sur les microporteurs polymères poreux, car ils supportent une expansion cellulaire à grande échelle et un assemblage modulaire des tissus, contournant deux goulots d'étranglement importants pour la traduction clinique. Pour assurer l'approvisionnement industriel et l'approbation réglementaire, nous avons conçu une méthode de fabrication sans solvant organique basée sur la cristallisation sphérulitique du poly(L-lactide) (PLLA) dans ses mélanges avec du polyéthylène glycol (PEG). Les sphérulites de PLLA ont été facilement récupérées sous forme de microporteurs en éliminant par rinçage le PEG soluble dans l'eau. Leur taille et leur porosité pourraient être contrôlées indépendamment en ajustant le rapport PLLA / PEG et la température de cristallisation. La biocompatibilité et l'ostéoconductivité des microporteurs à PLLA ont été confirmées par l'expansion et la différenciation ostéogénique des cellules souches adipeuses humaines (hASC). Comme cette dernière fonction hASC est sensible à différents paramètres de culture, nous avons ensuite utilisé l'approche de conception d'expériences pour leur dépistage rapide. En combinaison avec l'analyse à haut débit, nous avons identifié plusieurs paramètres ayant une influence marquée sur leur différenciation ostéogénique. Enfin, pour la délivrance de facteurs ostéoinducteurs, nous avons élaboré des multicouches de polyélectrolytes (PEM) à base de poly (L-ornithine) et d'acide hyaluronique biocompatibles. Ces PEM ont été caractérisées en termes de croissance, de morphologie, d'aptitude à incorporer des protéines morphogénétiques osseuses (BMP) et à fonctionner en tant que revêtements sur des microporteurs à PLLA. Nos résultats préliminaires ont montré que l’incorporation de BMP dans les PEM avait un effet important sur l’adhérence des hASC. Bien que des études supplémentaires soient nécessaires, les microporteurs à PLLA recouverts de PEM chargés de BMP et ensemencés avec hASC pourraient être un implant synthétique prometteur pour une régénération osseuse améliorée. / The regeneration of critical-sized bone defects remains a major healthcare challenge. The limitations of common tissue grafts prompted us to develop a synthetic alternative based on a biomaterial construct, osteoinductive factors and stem cells. For biomaterial construct, we focused on porous polymeric microcarriers as they support large-scale cell expansion and modular tissue assembly, circumventing two important bottlenecks for clinical translation. To insure industrial supply and regulatory approval, we designed an organic-solvent-free method for their fabrication based on the spherulitic crystallization of poly(L-lactide) (PLLA) in its blends with polyethylene glycol (PEG). The PLLA spherulites were easily recovered as microcarriers by rinsing away the water-soluble PEG. Their size and porosity could be independently controlled by tuning the PLLA/PEG ratio and crystallization temperature. The biocompatibility and osteoconductivity of PLLA microcarriers were confirmed through the expansion and osteogenic differentiation of human adipose stem cells (hASCs). Because the latter hASC function is sensitive to different culture parameters, we then used the Design of Experiments approach for their rapid screening. In combination with high-throughput analysis, we identified several parameters that had a pronounced influence on their osteogenic differentiation. Finally, for the delivery of osteoinductive factors, we elaborated polyelectrolyte multilayers (PEM) based on biocompatible poly(L-ornithine) and hyaluronic acid. These PEMs were characterized in terms of their growth, morphology, the ability to incorporate bone morphogenetic proteins (BMP) and to function as coatings on PLLA microcarriers. Our preliminary results showed that the incorporation of BMPs inside PEMs had a strong effect on hASC adhesion. While further studies are needed, hASC-seeded PLLA microcarriers coated with BMP-loaded PEMs could be a promising synthetic implant for improved bone regeneration.

L'essor des thérapies régénératives au cours des 10 dernières années a entraîné un effort de recherche important, mais l'obtention des cellules souches humaines en quantité suffisante reste cependant encore problématique, notamment concernant les cellules souches mésenchymateuses (CSM). Ces travaux ont donc mis en œuvre une approche à la croisée de la biologie et du génie des procédés afin d'identifier les verrous limitant la croissance des CSM. L'étude des méthodes d'intensification de culture a été entreprise grâce à l'utilisation de microporteurs et d'une plateforme de minibioréacteurs de 200~mL. Puis le développement d'un milieu de culture sans sérum a été testé dans le but de maximiser la croissance cellulaire dans des conditions biochimiques contrôlées. Les CSM humaines en tant que modèle type en thérapie cellulaire ont été démontrées comme extrêmement sensibles aux phases de congélation/décongélation, aux variations de température, à un vieillissement prématuré et nécessitant un milieu de culture complexe riche en facteurs de croissance et d'adhérence. Suite à cette étude, plusieurs écueils pourront être évités lors de la montée en échelle d'un procédé de culture de CSM afin d'intégrer leurs paramètres biologiques intrinsèques aux paramètres d'ingénierie des bioréacteurs (transfert de chaleur, contraintes hydrodynamiques, surface d'adhérence) / Progress in regenerative medicines over the past ten years have led to an important research mobilisation, but obtaining a sufficient amount of human stem cells remains nonetheless problematic, especially for mesenchymal stem cells (MSC). Hence, this work developed an approach coupling biology and process engineering to identify barriers limiting MSC growth. The study of scaled-up amplification methods was performed using microcarriers and a 200~mL minibioreactors platform. In order to maximise MSC growth in a biochemically controlled environment, a serum free medium development was tested as well. Human MSC as model cell type for cellular therapies have thus been demonstrated as extremely sensitive to freeze/thaw cycles, temperature variations, subject to premature aging and needing a complex medium enriched in multiple growth and adherence factors. Following this study, several pitfalls might be avoided during MSC process scale-up by integrating the cells biology into the bioreactors' process engineering parameters (heat transfer, hydrodamic stress, adhesion surface)