Plus de 1 / Plus de 1.000.000 procédures chirurgicales et de nouveaux cas de déficiences squelettiques sont signalés chaque année. Les matériaux utilisés pour réparer les défauts osseux comprennent l'os autologue, les allogreffes, les ciments osseux, les métaux et les céramiques. Ces matériaux présentent de nombreux problèmes dont le risque de transmission de maladies, l'absence de biodégradation et d'ostéointégration. L'ingénierie tissulaire ralliant des cellules souches et un biomatériau compatible et biodégradable pourrait être une solution idéale pour améliorer la qualité de vie et le bien être de milliers de patients. Les objectifs de cette thèse sont (i) de produire un nouvel échafaudage s'approchant le plus possible de la trame d'un os humain; (ii) de démontrer l'efficacité des cellules souches dans la régénération de tissus osseux pour des applications cliniques; et (iii) de démontrer l'importance des facteurs de croissance comme les BMPs dans la régénération in vitro de tissus osseux. La réalisation du premier objectif nous a révélée qu'une combinaison de matériaux naturels comme le collagène et 1'hydroxy apatite avec un matériau synthétique le Poly acide (L-lactique-co-e-caprolactone) est un excellent choix puisque les propriétés mécaniques et biologiques de la nouvelle matrice sont comparables à celles de l'os natif. Les résultats du deuxième objectif nous démontrent que la combinaison de notre nouvel échafaudage composite avec des cellules souches pulpaires favorise la croissance, la différenciation et la formation de nodules osseuses. Ces paramètres sont favorisés par l'ajout de facteurs ostéogéniques comme la BMP-2. Nos travaux démontrent qu'une des meilleures possibilités pour régénérer in vitro un tissu osseux consiste à regrouper (i) un échafaudage de choix, composé de matériaux naturels et synthétiques, (ii) des cellules souches comme les cellules pulpaires et (iii) des facteurs ostéogéniques comme la BMP-2. Nos résultats démontrent de façon tangible l'efficacité d'une telle combinaison pour la régénération in vitro de tissus osseux. Ces résultats, particulièrement originaux, ouvrent la voie à des applications cliniques dans le domaine des substituts osseux. Des études in vivo devraient confirmer la pertinence d'une telle combinaison et son applicabilité en clinique pour combler les pertes osseuses chez les milliers de canadiens chaque année. / Over 1,000,000 surgical procedures and new cases of skeletal deficiencies are reported each year. Presently, materials used to repair bone defects include autogenous and allogenous bones, non-degradable bone cement, metals and ceramics. Allogenic tissues and materials used for bone reconstructions are associated with significant problems, such as availability, risk of transmission of diseases, non-biodegradable nature and the lack of cohesive attachment at bone-prosthesis interface. Bone tissue engineering therefore represents a new direction toward bone regeneration. The use of porous composite scaffolds in bone tissue engineering is a promising approach for bone regeneration and healing. Combining those composite materials with appropriate potentially osteogenic cell types is expected to further promote bone regeneration. The objectives of the present study are (i) to design a composite scaffold that includes natural materials such as collagen and hydroxy apatite, and synthetic material such biodegradable elastic poly(L-lactide-co-E-caprolactone) (PLCL) copolymer, (ii) investigate the usefulness of dental pulp stem cells to engineer bone tissue and (iii) demonstrate the efficacy of growth factor such as BMPs on bone tissue engineering. Using different chemical, biochemical, cell biology and molecular biology techniques, we were able to design a porous, 3D composite scaffold. This was non-toxic, biocompatible allowing osteoblast adhesion and growth. We were also able to extract dental pulp stem cells, differentiate them onto osteoblast. The cells, when cultured in the composite scaffold were able to adhere, proliferate and form bone nodules. It is important to notice that the use of BMP-2 promoted bone tissue formation in vitro. Taken together, these data suggested that combination of appropriate scaffold with stem cells and growth factors is an innovative strategy to engineer bone. It highlights the potential use of engineered biomimetic scaffolds in the bone tissue repair process.

Le plasma riche en plaquettes (PRP) représente une nouvelle modalité de traitement visant à améliorer le taux de succès des greffes osseuses. Les objectifs de cette étude consistaient à établir un modèle animal afin de quantifier l'effet des PRP activés sur la guérison osseuse initiale et mature in vivo et de caractériser l'effet de l'activation des PRP sur la libération des facteurs de croissance VEGF, PDGF, TGF-0 et IL-ip et sur la division des cellules endothéliales. Des PRP humains, préparés à partir de sang prélevé chez quatre donneurs, furent greffés dans défauts osseux trans-crâniens pratiqués chirurgicalement chez 24 rats athymiques. Les analyses micro-tomographiques assistées par ordinateur réalisées indiquent qu'en moyenne, il n'y a aucune différence significative dans la formation osseuse in vivo lorsque des PRP activés sont greffés dans des défauts crâniens comparés à un défaut contrôle. Cependant, il existe une corrélation entre la formation osseuse et la présence de certains facteurs de croissance libérés par les PRP, tels que VEGF et PDGF.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / L'objectif principal de cette thèse est de développer un échafaudage à cellules ouvertes qui ne nécessite pas de traitement supplémentaire avec des solvants pour offrir une bonne adhérence interfaciale et favoriser la prolifération des ostéoblastes. Pour atteindre cet objectif, diverses étapes ont été suivies et discutées dans les différents chapitres de la thèse. Au chapitre 2, la technique de moulage par compression a été utilisée pour développer une mousse à cellules ouvertes en acide polylactique (PLA) en utilisant la technique de plan d'expérience (Design of Experiments, DoE, en anglais). Les travaux réalisés ont montré que la structure cellulaire de la mousse développée était affectée par les trois paramètres de procédé suivants : le temps de moussage, la température d'ouverture du moule et la concentration massique de l'agent de moussage, l'azodicarbonamide (ADA). Une équation de régression reliant la taille moyenne des cellules à ces trois paramètres a été développée à partir du DoE, et l'analyse de variance (ANOVA) a été utilisée pour trouver les meilleurs paramètres d'ajustement correspondant aux données expérimentales. Au chapitre 3, nous avons développé et analysé une variété d'échafaudages à cellules ouvertes composés de chitosane (CS) et de copolymère chitosane greffé PLA (CS-g-PLA) dispersés à l'intérieur de la matrice PLA. Les résultats ont démontré une dégradation hydrolytique des échafaudages composites PLA/CS, ce qui n'était pas le cas pour les échafaudages PLA/CS-g-PLA modifiés qui présentaient une bonne stabilité hydrolytique. Par conséquent, par rapport aux échafaudages PLA/CS non compatibilisés, les échafaudages PLA/CS-g-PLA ont démontré une adhésion et une prolifération élevées des ostéoblastes après trois et cinq jours de culture cellulaire. Enfin, nous avons montré au chapitre 4 des résultats expérimentaux sur le développement, par la technique de moulage par compression, d'échafaudages poreux à cellules ouvertes en PLA sans l'utilisation de solvants additionnels. L'originalité de ce travail consiste à utiliser un composite moussant chimique spécialement préparé, que nous avons nommé CFCO, dans lequel le copolymère CS-g-PLA a été ajouté à différentes concentrations dans un mélange de PLA et d'ADA utilisé comme agent chimique de moussage. Lors du moussage des échafaudages à base de PLA à l'aide de ce CFCO spécial, le copolymère CS-g-PLA, qui est un composant du CFCO, migre à la surface des pores générés et y est immobilisé. La localisation du copolymère CS-g-PLA à la surface des pores a été confirmée par la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie confocale. Pour une concentration de copolymère CS-g-PLA de 6,90 % en poids, le fait que le copolymère ait été maintenu exposé à la surface des pores a conduit à une prolifération cellulaire d'environ 52 % supérieure à celle obtenue avec l'échantillon témoin de PLA pur, et de 28 % supérieure à celle obtenue avec 10 % en poids de CS-g-PLA dispersé à l'intérieur de la matrice PLA. / The main objective of this thesis is to develop an open-cell scaffold without the need of any further solvent treatment to provide a good interfacial adhesion and proliferation properties for osteoblast cells. To attain this objective, different steps were followed and discussed in the following chapters. In chapter 2, a compression molding technique was used to develop a polylactic acid (PLA) open-cell foam morphology using a design of experiments (DoE) methodology. It was observed that the cellular structure was affected by three molding parameters: the foaming time, mold opening temperature, and the weight concentration of azodicarbonamide (ADA) blowing agent. The analysis of variance (ANOVA) was performed to identify the optimal fitting parameters based on the experimental data, and a regression equation relating the average cell size to the three mentioned processing parameters was developed from the DoE. The analysis of variance (ANOVA) was used to find the best dimensional fitting parameters based on the experimental data. In chapter 3, we developed and analyzed a variety of open-cell scaffolds composed of chitosan (CS) and CS-g-PLA copolymer dispersed inside the PLA matrix. The corresponding results demonstrated an hydrolytic degradation of PLA/CS composite scaffolds, which was not the case for the modified PLA/CS-g-PLA scaffolds that showed a good hydrolytic stability. Consequently, compared to uncompatibilized PLA/CS scaffolds, compatible PLA/CS-g-PLA scaffolds demonstrated high osteoblast cell adhesion and proliferation after three and five days of cultured cells. Finally, we showed in chapter 4 experimental results on the development, by compression molding, of solvent-free PLA open-cell porous scaffolds. The originality consists of using a specially prepared chemical foaming composite, that we named CFCO, in which CS-g-PLA copolymer was added at various concentrations into a mixture of PLA and ADA used as chemical foaming agent. During the foaming of the PLA-based scaffolds using this special CFCO, the CS-g-PLA copolymer, which is a component of the CFCO, is projected toward the surface of the generated pores and immobilized there. The localization of CS g-PLA copolymer on the surface of the pores was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) and confocal microscopy. For CS-g-PLA copolymer concentration of 6.90 wt.%, the fact that it was kept available on the surface of the pores led to osteoblast cells proliferation about 52% higher than that obtained with the pure PLA control sample and 28% higher than that obtained with 10 wt.% CS-g-PLA dispersed inside the whole PLA matrix.

Les os constituent une part importante du corps humain. Ils sont sollicités tout au long de la vie : ceci expose les différents os à une multitude de traumatismes. La correction des traumatismes osseux est un problème de tous les jours pour les chirurgiens orthopédiques et maxillo-faciaux. Malgré toutes les connaissances actuelles en chirurgie osseuse, il existe encore plusieurs limitations en rapport avec la guérison post-chirurgicale des greffes autogènes. La régénération osseuse à partir des facteurs de croissance pourrait venir en aide à la médecine moderne. L'objectif du présent travail est d'étudier l'effet des protéines de la morphogenèse de l'os (Bone Morphogenetic Proteins : BMPs) sur la régénération osseuse par de multiples expériences in vitro. Un modèle in vitro d'ingénierie osseuse a servi à comparer l'activité ostéogénique des BMPs, soit des homodimères de BMP-2 et de BMP-7 et de l'hétérodimère de BMP-2/BMP-7, pour étudier la croissance et la différenciation des ostéoblastes sur l'expression de l'ostéocalcine (OC), de l'interleukine-6 (IL-6), de la métalloprotéinase-2 (MMP-2) et de leurs inhibiteurs tissulaires TIMP-1 et TIMP-2. Notre approche expérimentale démontre que les homodimères de BMP-2 et BMP-7 ainsi que l'hétérodimère de BMP-2/BMP-7 favorisent la croissance des ostéoblastes et la production d'OC via l'lL-6. Aussi, comme les homodimères et l'hétérodimère, les deux protéines BMP-2 et BMP-7 stimulent la production de la matrice extracellulaire par l'inhibition de la production des MMPs via les TIMPs.

La réparation des défauts osseux de taille importante (fracture, tumeur, nécrose de l'os) pour lesquelles une partie de l'os est manquante et doit être remplacée, demeure un défi important pour le domaine médical. Des matériaux synthétiques, comme des matériaux céramiques, métalliques, et polymères, sont ainsi développés comme substituts osseux. Mais ces matériaux n'interagissent pas suffisamment avec l'os du patient et finissent par être encapsulés par une couche de tissu fibreux, ce qui peut résulter en une fracture de l'os, de l'implant, ou de l'interface entre les deux. La recherche vise donc à étudier et comprendre les interactions entre les cellules et les matériaux, afin de développer des matériaux capables d'interagir avec les cellules, et de mettre au point des implants combinant un matériau bioactif, des cellules, et des facteurs bioactifs permettant la reconstruction du tissu osseux. Dans ce contexte, les cellules souches mésenchymateuses (MSCs) ont gagné en popularité en médecine régénératrice compte tenu de leur capacité d'auto-renouvellement, leur multipotence, et leur taux de prolifération élevé. Cependant, une fois extraites du patient et cultivées in vitro, les MSCs ont tendance à se différencier de manière aléatoire, ce qui conduit à une population hétérogène de cellules avec laquelle il est difficile de reconstruire un tissu. Bien que les MSCs soient utilisées en clinique pour le traitement de diverses pathologies, une meilleure compréhension de leur comportement reste nécessaire pour permettre de contrôler leur différenciation vers une lignée spécifique et ainsi améliorer leurs performances en clinique. Les hydrogels ont émergé comme matériaux prometteurs pour la culture cellulaire puisqu'ils permettent de mimer la matrice extracellulaire naturelle des cellules. Notamment, de nombreuses études ont évalué l'impact de la rigidité des hydrogels sur la différenciation des MSCs et ont montré qu'une rigidité proche de celle d'un tissu naturel favorise la différenciation vers les cellules de ce tissu. Cependant, il est maintenant reconnu que les hydrogels et les tissus naturels ne sont pas caractérisés uniquement par leur rigidité, mais aussi par leur viscoélasticité. Or peu d'études ont été menées sur l'impact des propriétés viscoélastiques des hydrogels sur la différenciation des MSCs (15 articles sur les cinq dernières années via PubMed). Dans ce projet, il a été montré qu'il était possible de synthétiser des hydrogels de poly(acrylamide-co-acide acrylique) avec une rigidité et une viscoélasticité contrôlées, mesurées par compression et par AFM. Cinq hydrogels ont été choisis pour étudier l'impact des propriétés mécaniques sur la différenciation ostéogénique des MSCs en variant la rigidité et le pourcentage de relaxation : 15 kPa-15%, 60 kPa-15%, 140 kPa-15%, 100 kPa-30%, et 140 kPa-70%. Il a été montré que la fonctionnalisation de surface de ces hydrogels avec un peptide mimétique de la protéine BMP-2 a mené à une forme cellulaire étoilée après deux semaines de différenciation, sauf pour la rigidité la plus basse (15 kPa). Cette forme cellulaire étoilée correspondrait à une forme d'ostéocyte, qui est le dernier stade de différenciation ostéogénique des MSCs, et qui n'a jamais été obtenu in vitro à notre connaissance. De plus, une rigidité de 60 kPa a mené à une plus forte expression de marqueurs de différenciation ostéocytaires par rapport à des rigidités de 15 et 140 kPa, pour une même relaxation de 15%. Enfin, la plus forte expression de marqueurs de différenciation d'ostéoblastes et d'ostéocytes a été observée pour l'hydrogel présentant 70% de relaxation et une rigidité de 140 kPa. Ceci semble montrer qu'une viscoélasticité élevée favorise la différenciation ostéogénique des MSCs, même si elle est associée à une rigidité qui n'est pas la plus favorable. Ainsi, les propriétés viscoélastiques de la matrice auraient un impact non négligeable sur la différenciation des MSCs et devraient être considérées à l'avenir. / The repair of large bone defects, including large fracture, tumor, and necrosis for which a part of the bone is missing and has to be replaced, is still a challenge for the medical field. Synthetic materials, such as ceramic, metallic, and polymeric materials, have been developed as bone substitutes. However, these materials do not interact with the bone of the patient and generally end up being encapsulated by a layer of fibrous tissue, that might result in the fracture of the bone, the implant, or the interface between the two. The research therefore aims at studying and understanding cell-material interactions in order to develop materials capable of interacting with cells, and to create new implants combining a carrier material, cells, and bioactive factors, allowing bone reconstruction. In this context, mesenchymal stem cells (MSCs) have gained high interest in regenerative medicine considering their self-renewal ability, multipotency, and high proliferative rate. However, once extracted from the patient and cultivated in vitro, MSCs tend to differentiate randomly, which leads to a heterogeneous population of cells with which it is difficult to reconstruct any tissue. Therefore, although MSCs are used in clinics for the treatment of various pathologies, a better understanding of their biological behavior is still required to provide the ability to control their in vitro differentiation into a specific lineage and improve their clinical performance. Hydrogels have emerged as promising materials for cell culture as they allow to mimic the natural extracellular matrix of cells. Particularly, many studies have evaluated the impact of hydrogels stiffness on MSCs differentiation and showed that a stiffness close to that of a biological tissue leads to a differentiation towards cells of this tissue. Nevertheless, it is now recognized that hydrogels as well as biological tissues are not only described by their stiffness, but also by their viscoelastic properties. However, only few studies have been conducted on the impact of hydrogels viscoelastic properties on MSCs differentiation (15 articles over the past five years from PubMed). In this project, it has been shown that it was possible to synthesize poly(acrylamide-co- acrylic acid) hydrogels with different controlled stiffness and viscoelasticity, evaluated using compression and AFM. Five hydrogels have been chosen to study the impact of hydrogels mechanical properties on MSCs osteogenic differentiation by varying the stiffness and the relaxation percent : 15 kPa-15%, 60 kPa-15%, 140 kPa-15%, 100 kPa-30%, and 140 kPa- 70%. It has been shown that the surface functionalization of these hydrogels with a mimetic peptide of the BMP-2 protein led to star-like cells, except for the lowest stiffness (15 kPa). This star-like shape would correspond to the shape of osteocytes, which is the last stage of osteogenic differentiation, and which has never been obtained in vitro to our knowledge. Moreover, a stiffness of 60 kPa led to a higher expression of osteocyte markers as compared to stiffnesses of 15 and 140 kPa, for a constant low relaxation of 15%. Finally, the strongest expression of osteoblast and osteocyte differentiation markers has been observed for the hydrogel with a high relaxation of 70% and a stiffness of 140 kPa. This shows that a high viscoelasticity would favor MSCs osteogenic differentiation, even if it is associated with a stiffness that is not the most favorable. Thus, the viscoelastic properties of the matrix would have a significant impact on MSCs differentiation and should be considered in the future.

L'ingénierie tissulaire osseuse est une branche de la médecine régénératrice. Le «concept diamant» avec ses quatre éléments fondamentaux permet d'approcher les problèmes actuels de la création d'un tissu osseux au laboratoire. Les facteurs de croissance s'avèrent la clé de voûte qui permet la stimulation des cellules souches. Le développement d'un tissu osseux passe par une succession d'évènements cellulaires dictés par des facteurs de croissance et implique la prolifération, la différenciation et la minéralisation. Les travaux présentés dans cette thèse, de part 1 'utilisation de techniques in vitro, me permettent de dire que: 1) J'ai démontré que le facteur EGF stimule la prolifération des ostéoblastes et que son effet est amplifié par les facteurs BMP-2 et BMP-7. Aussi, la formation de nodules à 28 jours est fortement réduite en présence de l'EGF. Ainsi, l'EGF est un facteur d'intérêt dans les stades précoces mais moins dans les évènements tardifs, comme au moment de la formation de nodules minéralisés. 2) J'ai identifié les voies de signalisation ERKl/2, JNKl/2 et SMADs qui régissent la prolifération dans des cultures d'ostéoblastes dérivés de cellules humaines souches pulpaires (hDPSCs) différenciées, par une co-stimulation avec le FGF-2 et la BMP-2. L'analyse génique et protéinique de l'ostéocalcine (OST), de la phosphatase alcaline (ALP) et du marqueur Runx-2 ont permis de mieux comprendre la différenciation cellulaire des hDPSCs dans un milieu de culture à différenciation ostéoblastique composé d'acide ascorbique, de dexaméthasone et de β-glycérophosphate. 3) J'ai fait la démonstration que le FGF-2 est un facteur ostéogénique précoce qui favorise la croissance des ostéoblastes plutôt qu'un facteur tardif impliquant la différenciation et la minéralisation. De fait, la formation de nodules à 28 jours était fortement réduite en présence du FGF -2. En marge des expériences au laboratoire, j'ai proposé un bioréacteur hypothétique que j'ai nommé « IV2B2TEC », il est breveté de manière provisoire, et il intègre les 4 éléments conceptuels en ingénierie tissulaire osseuse.

Cette recherche visait à étudier les interactions cellules-cellules qui interviennent entre les cellules du PRP, les cellules endothéliales et les ostéoblastes dans un modèle de co-culture in vitro. Ainsi, des quantités de PRP ou de surnageants de PRP, activés par l'ajout de TRAP-6 ou non, ont été ajoutées à des cellules endothéliales ou des ostéoblastes, séparés par une membrane semi-perméable et la prolifération cellulaire mesurée par une méthode colorimétrique. Les résultats obtenus montrent que les surnageants de PRP et les PRP sont mitogéniques pour les cellules endothéliales et pour les ostéoblastes en mono-culture. Cependant, l'effet mitogénique en co-culture n'est observé qu'en présence de surnageant de PRP et ce, uniquement sur la croissance des cellules endothéliales, suggérant un mode de régulation de la division cellulaire distinct de ces deux lignées cellulaires.

L’objectif de ce projet est d’évaluer le potentiel d’un nouveau matériau, la fibre d’asclépiade, pour le comblement des défauts osseux chez des patients souffrant de lésions osseuses. Cette fibre cellulosique est extraite des gousses de l’Asclepias syrica L., une plante herbacée d’Amérique du Nord. Sa structure tridimensionnelle micro-fibrillaire constitue un avantage pour son utilisation en tant qu’échafaudage cellulaire car elle permettrait d’accueillir des cellules tout en transportant les nutriments nécessaires. Dans un premier temps, une caractérisation physico-chimique de cette fibre a été effectuée. Puis, une modification du matériau a été réalisée par plasma afin de favoriser sa mouillabilité mais aussi sa biodégradation. La dernière étape consiste à évaluer le potentiel de cette fibre fonctionnalisée à améliorer l’adhésion et la différenciation des cellules souches mésenchymateuses en cellules osseuses. / The objective of this project is to evaluate the potential of a new material, milkweed fiber, for filling bone defects in patients with bone lesions. This cellulosic fiber is extracted from the pods of Asclepias syrica L., an herbaceous plant of North America. Its three-dimensional micro-fibrillar structure is an advantage for its use as a cellular scaffold because it would accommodate cells while carrying the necessary nutrients. At first, a physicochemical characterization of this fiber was carried out. Then, a modification of the material was carried out by plasma in order to promote its wettability but also its biodegradation. The final step is to evaluate the potential of this functionalized fiber to improve the adhesion and differentiation of mesenchymal stem cells into bone cells.

Des résultats d’expériences cliniques de reconstruction de l’os maxillaire faites à partir de la greffe d’une "pâte osseuse" gélifiée par l’ajout de facteur tissulaire ont été le primum movens de ce travail. Cette "pâte osseuse", faite d’os en poudre et de plasma enrichi en plaquette (PRP) à laquelle on ajoute du facteur tissulaire, est un modèle à la fois de la coagulation et de la régénération osseuse.<p>Pour analyser des effets de la coagulation, nous avons utilisé un modèle connu :la culture primaire de cellules endothéliales (HUVEC). Les effets in vitro des facteurs de coagulation, dénommés protéases de la coagulation, pris séparément, ont été bien étudiés dans ces cellules, néanmoins aucune information sur l’effet combiné de ces protéases ou du plasma en coagulation n’était connue. Nous avons mesuré la "signalisation calcium" comme réponse cellulaire aux différents agents et ces mesures de la signalisation calcium ont été complétées par la mesure d’une autre réponse biologique, à savoir la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires (IL-6 et IL-8). Pour l’étude de la régénération osseuse, la signalisation calcium a été mesurée sur une lignée d’ostéosarcomes humains (SaOS-2), stimulée par des protéases de la voie extrinsèque de la coagulation (facteur VIIa, facteur Xa et thrombine). Comme réponse biologique complémentaire, nous avons évalué l’effet des protéases d’intérêt sur l’apoptose induite par l’absence de sérum dans le milieu de culture.<p>\ / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished