La scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale qui se développe entre l’âge de 10 et 18 ans et dont la cause est inconnue. Cette maladie touche 2-3 % des adolescents et majoritairement les jeunes filles. Certaines études ont révélé des différences au niveau des paramètres anthropométriques chez les jeunes filles atteintes de la SIA par rapport à des sujets contrôles du même âge, tels qu’un poids, un indice de masse corporelle (IMC) et une densité minérale osseuse (DMO) plus faibles. Les raisons de ces différences demeurent inexpliquées, mais des anomalies au niveau du métabolisme énergétique pourraient y contribuer. En ce sens, certaines hormones impliquées dans le métabolisme énergétique ont été sommairement étudiées dans la SIA, mais cela de manière individuelle alors que ces processus nécessitent l'interaction d'une panoplie d'autres hormones. L’hypothèse centrale de cette thèse est que le métabolisme énergétique est altéré dans la SIA. Les objectifs de nos travaux sont de : (1) Étudier l’association entre la mutation A316T du gène du récepteur de l’incrétine glucagon-like peptide 1 (GLP1-R A316T) et la SIA; (2) Dans des ostéoblastes de patients atteints de la SIA et de contrôles, examiner la régulation de protéines impliquées dans le métabolisme énergétique à l’état basal et suite à des traitements par des effecteurs métaboliques; (3) Étudier le profil métabolique des jeunes filles atteintes de la SIA comparativement à des contrôles du même âge; (4) Étudier la composition et la diversité du microbiote intestinal ainsi que ses métabolites dans la SIA et les comparer à des contrôles. Pour ce faire, nous avons génotypé la mutation GLP1R A316T chez des patients avec SIA et des contrôles. Ensuite, des ostéoblastes ont été incubés avec divers effecteurs métaboliques pour étudier leurs effets sur l’expression de protéines impliquées dans le métabolisme énergétique. Aussi, une étude clinique pilote a été réalisée auprès de 20 patientes adolescentes avec la SIA et 20 contrôles appariées pour l’âge. Nous avons évalué le profil métabolique et anthropométrique des participantes, ainsi que leur alimentation et leur niveau d’activité physique. Un échantillon de selle a également été collecté sur une base volontaire afin d’étudier le microbiote intestinal des patientes et des contrôles. Pour l’étude génétique, dans notre cohorte, la présence de la mutation GLP1R A316T augmentait de 3,4 fois le risque de développer la maladie. Au niveau cellulaire, les ostéoblastes dérivés de patients avec SIA présentaient une expression génique et protéique de la dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) inférieure à celle des contrôles. De plus, les traitements avec les effecteurs métaboliques n’ont pas régulé l’expression de la DPP-4 de la même manière dans les ostéoblastes de sujets avec SIA que dans ceux des contrôles. L’étude clinique pilote a montré que les patientes atteintes de la SIA avaient des niveaux moyens d’adiponectine supérieurs aux contrôles, et un ratio leptine/adiponectine inférieur. De plus, les participantes qui avaient un angle de Cobb supérieur à 25° présentaient des taux plus élevés de résistine comparativement aux contrôles. L’étude du microbiote intestinal a révélé des tendances, telles qu’une plus faible alpha-diversité et abondance relative de Lachnospira et de Bacteroides, ainsi qu’une plus grande abondance relative de Blautia dans le groupe avec SIA. En conclusion, les résultats de nos études génétique, cellulaire et clinique démontrent la présence d’altérations du métabolisme énergétique dans la SIA. Ces travaux soutiennent que les mécanismes possibles peuvent inclurent la mutation d’un gène impliqué dans le métabolisme énergétique, une régulation différente des adipokines et des incrétines ainsi que différentes réponses à des effecteurs métaboliques et une altération du microbiote intestinal et de ses métabolites. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a three-dimensional deformity of the spine that develops between the ages of 10 and 18, the cause of which is unknown. The disease affects 2-3% of adolescents, mostly girls. Some studies have revealed differences in anthropometric parameters in girls with AIS compared to control subjects of the same age, such as lower weight, body mass index (BMI) and bone mineral density (BMD). The reasons for these differences remain unexplained, but abnormalities in energy metabolism may contribute. In this regard, certain hormones involved in energy metabolism have been briefly studied in SIA, but only individually, whereas these processes require the interaction of a panoply of other hormones. The central hypothesis of this thesis is that energy metabolism is altered in AIS. The aims of our work are to: (1) Investigate the association between the A316T mutation in the incretin glucagon-like peptide 1 receptor gene (GLP1-R A316T) and AIS; (2) In osteoblasts from AIS patients and controls, examine the regulation of proteins involved in energy metabolism in the basal state and following treatment with metabolic effectors; (3) To study the metabolic profile of girls with AIS compared with controls of the same age; (4) To study the composition and diversity of the intestinal microbiota and its metabolites in AIS and compare them with controls. To this end, we genotyped the GLP1R A316T mutation in AIS patients and controls. Then, osteoblasts were incubated with various metabolic effectors to study their effects on the expression of proteins involved in energy metabolism. Also, a clinical pilot study was carried out in 20 adolescent female patients with AIS and 20 age-matched controls. We assessed the participants' metabolic and anthropometric profile, as well as their diet and level of physical activity. A stool sample was also collected on a voluntary basis to study the intestinal microbiota of patients and controls. For the genetic study, in our cohort, the presence of the GLP1R A316T mutation increased the risk of developing the disease by 3.4-fold. At the cellular level, osteoblasts derived from patients with AIS showed lower gene and protein expression of dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) than controls. Furthermore, treatments with metabolic effectors did not regulate DPP-4 expression in the same way in osteoblasts from subjects with AIS as in controls. The clinical pilot study showed that AIS patients had higher mean adiponectin levels than controls, and a lower leptin/adiponectin ratio. In addition, participants with a Cobb angle greater than 25° had higher levels of resistin compared with controls. Study of the intestinal microbiota revealed trends such as lower alpha-diversity and relative abundance of Lachnospira and Bacteroides, and greater relative abundance of Blautia in the AIS group. In conclusion, the results of our genetic, cellular, and clinical studies support the presence of alterations in energy metabolism in AIS. Possible mechanisms may include mutation of a gene involved in energy metabolism, different regulation of adipokines and incretins, different responses to metabolic effectors, and alteration of the gut microbiota and its metabolites.

Les phosphates de calcium sont des biomatériaux couramment utilisés dans de nombreuses spécialités médicales. L'amélioration de ces biomatériaux vise à augmenter leur ostéointégration et leur bioactivité. Le strontium possédant d'intéressantes capacités de modification de la physiologie osseuse, l'incorporation de ce dernier au sein de phosphates de calcium par substitution ionique pourrait permettre un déplacement de la balance osseuse vers la formation osseuse.Notre travail a permis de démontrer la capacité des particules de phosphates de calcium substitués en strontium à augmenter la prolifération des ostéoblastes en culture et à modifier l'expression et la synthèse des principales protéines impliquées dans la physiologie osseuse (Collagène de type I, Serpine H1, métalloprotéinases matricielles 1 et 2, inhibiteurs tissulaires des MMPs). Par ailleurs, la poudre de phosphates de calcium ne contenant pas de strontium a entrainé une sécrétion accrue de chimiokines pro-inflammatoires (MCP-1 et GRO-?) qui n'a pas été observée pour la poudre substituée. Enfin, des études in-vivo réalisées dans un modèle de défaut osseux murin a permis de démontrer une plus grande résorbabilité de la poudre contenant du strontium et sa plus grande capacité à stimuler la réparation osseuse. / Calcium phosphate are widely used in medicine. Their upgrade tend to enhance their biocompatibility and their bioactivity. Strontium has interesting capability to modify the bone physiologie. Its incorporation in calcium phosphates could lead to modify the bone balance toward osteogenesis.The present work reveal the capacities of such biomaterials to enhance the replication of osteoblasts ant to modify the expression and the synthesis of proteins implicated in the bone balance (type I collagen, serpinH1, Matrix metalloproteinases 1 and 2, tissular inhibitors of MMPs). Moreover, non substituted calcium phosphate powders enhance the expression and synthesis of inflammatory cytokines (MCP-1 and Gro-a). This fact was not observed with the non substituted powder. In-vivo studies on a mouse model permit us to demonstrate the higher resorbability and the higher bone healing capability of the substituted powder.

L’ostéoporose est une maladie caractérisée par une faible masse osseuse et une détérioration du tissu osseux. Cette condition entraîne une plus grande fragilité osseuse et des risques de fractures. Plusieurs études ont associé l’ostéoporose à la faible densité osseuse des mandibules, à la perte d’attache parodontale, à l’augmentation de la hauteur de la crête alvéolaire et à la chute des dents. Cette étude vise à comprendre les mécanismes sous-jacents cette perte osseuse. En effet, au cours du développement des souris, PITX1 joue un rôle clé dans l'identité des membres postérieurs et dans le bon développement des mandibules et des dents. Son inactivation complète chez la souris mène à un phénotype squelettique sévère. Tandis que, son inactivation partielle provoque des symptômes apparentés à l'arthrose avec une augmentation de la masse osseuse au niveau de l’os cortical et de l’os trabéculaire. Inversement, une étude antérieure chez des jumelles monozygotiques discordantes pour l’ostéoporose, montrent une augmentation d’environ 8.6 fois du niveau d’expression du gène Pitx1 chez la jumelle ostéoporotique. Collectivement, ces données nous ont poussés à investiguer sur le rôle du facteur de transcription PITX1 dans le métabolisme osseux normal et pathologique. Dans ce contexte, des souris transgéniques Col1α1-Pitx1 sur-exprimant Pitx1 spécifiquement dans le tissu osseux sous le promoteur du collagène de type-I (fragment 2.1kpb) ont été générées et phénotypiquement caractérisées. Ces résultats ont révelé que les souris transgéniques Col1α1-Pitx1 présentaient un phénotype similaire à celui des patients ostéoporotiques accompagné d'une perte de dents et des problèmes dentaires et parodontaux. De plus, cette étude a révélé que la surexpression de Pitx1 induit une altération de l’homéostasie osseuse via l’inactivation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine canonique. Cette hypothèse a été appuyée par le fait que le traitement des souris transgéniques Col1α1-Pitx1 avec du chlorure de lithium, un activateur de la voie Wnt canonique, prévient le phénotype ostéoporotique chez ces souris. Finalement, cette étude établit un rôle crucial de PITX1 dans la régulation de la masse osseuse et une implication possible dans l’ostéoporose et les maladies parodontales via l’inactivation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine canonique. / Osteoporosis is a progressive bone disease that is characterized by a decrease in bone mass and density leading to an increased risk of fracture. Several studies have linked osteoporosis to the low bone density of the mandibles, the periodontal attachment loss, increasing of the alveolar crest heigh and tooth loss. This study aims to understand the mechanisms underlying bone loss. During mouse development, PITX1 plays a key role in the identity of the hindlimb and the proper development of the jaws and teeth. Interestingly, PITX1-null mice displayed severe skeletal phenotype. Whereas, ageing PITX1+/- progressively developed OA-like lesions in cartilage associated with a drastic increase in cortical and trabecular bone formation. Conversely, expression analysis of osteoblasts derived from monozygotic twins discordant for osteoporosis reported an 8.6-fold up-regulation of Pitx1 expression in osteoblasts from osteoporotic twins when compared with healthy ones. Collectively, these data prompted us to investigate the role of PITX1 in normal and pathological bone metabolism. In this context, transgenic Col1α1-Pitx1 mice over expressing Pitx1 specifically in bone tissue under the type-I collagen promoter (2.3kb fragment) were generated and phenotypically characterized. These data suggested that Pitx1 overexpression induces an osteoporosis like phenotype accompanied with oral bone loss, edentulousness, dental and periodontal problems. These results suggested that Pitx1 overexpression induces alteration of bone homeostasis via the inactivating of the the Wnt/β-catenin canonical pathway. This hypothesis was supported by the fact that treatment with lithium chloride, a Wnt canonical activator, rescued the phenotype. Finally, this study establishes a crucial role of PITX1 in the regulation of bone mass and a possible involvement in the developpement of osteoporosis and periodontal disease via the inactivation of the Wnt/β-catenin canonical pathway.

Im Verlauf der Knochenbildung und Frakturheilung kommt es zu einem Zusammenwirken verschiedener Zell- und Gewebearten. Die beteiligten Zellen unterliegen dabei der Regulation von Wachstumsfaktoren (WF), Zytokinen und Hormonen, die den regelhaften Ablauf kontrollieren und steuernd in Proliferation und Differenzierung von Zellen und deren Matrixsynthese eingreifen. Neben einer optimalen Osteosynthese zur Frakturstabilisation stellt die biologische Beeinflussung der Knochenheilung ein großes Forschungsfeld dar. In Vorarbeiten wurde ein Applikationssystem entwickelt, das mittels einer biodegradierbaren Polymerbeschichtung auf Osteosynthesematerialien die lokale Applikation von WF in biologisch aktiver Form ermöglicht. In vivo wurde an Ratten- und Schweinemodellen erfolgreich die Stimulation der Knochenheilung durch lokal applizierte Wachstumsfaktoren IGF-I, TGF-ß1 und BMP-2 gezeigt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung zellulärer Prozesse während der beeinflussten und unbeeinflussten Knochenheilung sowie des Effektes der lokalen Applikation von Wachstumsfaktoren von beschichteten Osteosyntheseplatten. Anhand histologischer und immunhistochemischer Untersuchungen, der in situ Hybridisierung an Knochenschnitten und der ELISA-Methode konnte ein früherer Reifungsbeginn des Kallus durch die Wachstumsfaktorenapplikation gezeigt werden, ohne dass es zu Veränderungen der physiologischen Gewebszusammensetzung und der endogenen Wachstumsfaktoren-Expression kam. Durch Zellkulturstudien an primären Osteoblasten und Osteoklasten wurde an isolierten Zelltypen die Wirkung der applizierten WF untersucht und ihr Effekt auf die Zelltypen dargestellt. Die Bildung ektoper Ossifikation im Weichgewebe durch die Wachstumsfaktoren wurde im Schafsmodell ausgeschlossen. Dies stellt einen wichtigen Sicherheitsaspekt beim Einsatz von Wachstumsfaktoren zur Stimulation der Knochenheilung dar. Die lokale Applikation der Wachstumsfaktoren von einer Plattenosteosynthese zur Osteotomiestabilsierung im Rattenmodell zeigte eine signifikante Verbesserung der biomechanischen Stabilität und der Kallusheilung 42 Tage nach Osteotomie Die aus diesen Studien gewonnenen Erkenntnisse liefern Aufschluss zur Weiterentwicklung biologischer Einflussmöglichkeiten auf den Knochenstoffwechsel und die Rolle von WF während der Frakturheilung. / In the process of bone formation and healing, different cell- and tissue types are formed. The cells involved are regulated by growth factors (GF), cytokines and hormones, which control the healing and affect the proliferation and differentiation of cells and their matrix synthesis. Besides the use of the optimal osteosynthesis for fracture stabilization, the biological influence of the bone healing represents a large research field. In previous work an application system for local application of GF in biologically active form was developed. In vivo studies revealed a stimulating effect of locally applied IGF-I and TGF-ß1 in a rat and a pig model. Goal of this work was the investigation of cellular processes during the influenced and uninfluenced bone healing. A further aim was the transfer of the local application method to further stabilization systems (plate osteosynthesis). On the basis of the histology, the immunohistology, in situ hybridizing and ELISA methods an earlier beginning of maturing of the callus by the growth factors could be shown, without changes of the physiological callus composition and the endogenous growth factors expression. In further cell culture studies on primary osteoblasts and osteoclasts the effect of the applied growth factors was examined and their effect on the cell types analyzed. The avoidance of ectopic ossification, an important safety aspect with the use of growth factors to stimulate bone healing, was investigated in a sheep model. It was also possible to proof the efficacy of locally applied growth factors delivered extramedullary from plates. The results of these studies provide further explanations for the action of the used growth factors and are necessary for the ongoing development of the application of growth factors for a clinical use.

Die Basis für den therapeutischen Einsatz elektrischer Felder bei der Behandlung von Knochenbrüchen liegt in der Existenz von belastungsabhängigen elektrischen Potentialen im Knochen. Die zellulären Wirkungsmechanismen sind jedoch unverstanden. Um zu untersuchen, ob und wie elektrische Felder Wachstum und Differenzierung von Knochenzellen beeinflussen, wurden humane Osteosarcomazellen (HOS TE85) und aus Minischweinen isolierte primäre Osteoblasten mit elektrischen Feldern im Frequenzbereich von 0.1 Hz bis 100 kHz befeldet und verschiedene zelluläre Parameter zeitabhängig gemessen. Das elektrische Feld wurde mittels platinierten Platinelektroden appliziert, um ausreichend hohe Feldstärken bei gleichzeitig guter Kontrolle über die im Gewebe erzeugte Wellenform zu gewährleisten. Beim Einsatz von Elektroden müssen jedoch elektrochemische Reaktionen an der Elektrodenoberfläche berücksichtigt werden. Daher wurden verschiedene Elektroden für die in vivo- und in vitro-Stimulation mit elektrischen und numerischen Methoden untersucht und verglichen. Das führte einerseits zur Erarbeitung verschiedener Kriterien zur Auswahl geeigneter Elektrodenmaterialien und -geometrien. Andererseits konnten detaillierte Angaben zur effektiven Feldstärke und Feldverlauf in der Zellebene sowie zu elektrochemisch bedingten Nebenwirkungen gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass elektrische Felder das Signalsystem und den Stoffwechsel von Knochenzellen im gesamten untersuchten Frequenzbereich beeinflussen. Die Richtung des Nettoeffekts war jedoch im oberen und im unteren Frequenzbereich unterschiedlich. Im Frequenzbereich über 1 kHz fanden wir immer eine Erhöhung des Wachstums und der Konzentration der "second messenger" und eine Herabsetzung der Konzentration der reaktiven Sauerstoffverbindungen (ROS). Bei Frequenzen unter 1 kHz wurde dagegen eine Erhöhung der Aktivität der alkalischen Phosphatase und des oxidativen Stress beobachtet. Signifikante Effekte traten jedoch nur bei Feldstärken oberhalb 100 V/m auf. Hinweise auf bevorzugte Frequenzen oder Wellenformen, die für "Fenstereffekte" sprechen würden, konnten nicht gefunden werden. Da alle zellulären Parameter an einem einheitlichen System gemessen wurden, ließen sich die Ergebnisse in ein Modell der feldinduzierten Signaltransduktion integrieren. Prinzipiell muss man von einem gemeinsamen Effekt mehrerer Signalwege ausgehen. Dabei kann die Erhöhung der intrazellulären Kalziumkonzentration als ein genereller Mechanismus der Feldwirkung angesehen werden. Dafür sind sowohl der Influx als auch die Freisetzung von Kalzium aus intrazellulären Speichern verantwortlich. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass auch cGMP und Prostaglandin E2, jedoch nicht cAMP an der Vermittlung der Feldwirkung beteiligt ist. Außerdem wurde die Translokation der mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK) beeinflusst. Trotzdem sind die beobachteten Effekte relativ schwach im Vergleich zu publizierten klinischen Erfolgen. Es muss daher in vivo Verstärkungsmechanismen geben, die durch Untersuchungen an Zellkulturen nicht erfasst werden können. / The therapeutic use of electric fields in the treatment bone fracture healing is based on the existence of different load dependent electric potentials in bone. However, the cellular mechanisms of field action are still not understood. We investigated the effect of electric fields on proliferation and differentiation of human osteosarcoma cells (HOS TE85) and primary osteoblasts isolated from mini pigs. The cells were exposed to electric fields (0.1 Hz - 100 kHz) and various cellular parameters were measured. The field was applied using platinized platinum electrodes ensuring sufficiently strong electric fields and a well controlled wave form in the tissue. Nevertheless, in this case electrochemical reactions which occur at the electrode surface have to be taken into account. That’s why various electrodes for in vivo and in vitro stimulation are characterized by electrical and numerical methods leading not only to criteria for choosing electrode materials and geometries, but also providing detailed knowledge about the electric field induced in the tissue and electrochemically induced side effects. We found that cellular signaling as well as proliferation and differentiation of bone cells are influenced by electric fields in the whole investigated frequency range. Proliferation and the second messenger concentrations are increased at frequencies above 1 kHz, whereas below 1 kHz the alkaline phosphatase activity is increased. Significant effects were found only for electric fields above 100 V/m, but we could not find any hints on preferred frequencies or wave forms ruling out "window effects". Because all cellular parameters were measured within one experimental system, the results can be summarized in a signal transduction model for the action of electric fields. Generally, a common action of multiple signaling pathways has to be assumed. The increase of the intracellular calcium concentration can be considered as a general mechanism of field action. This increase is caused by calcium release from intracellular calcium stores as well as influx of extracellular calcium. Additionally, the concentration of cGMP and prostaglandin E2, but not that of cAMP is increased by the electric field. Furthermore, the translocation of the mitogen activated protein kinase (MAPK) is influenced. Nevertheless, the field effects found are weak compared to those published in clinical studies. We suppose that there are amplifying mechanisms in vivo which could not be seen during in vitro investigations.

One of the greatest obstacles to clinical translation of bone tissue engineering is the inability to effectively and efficiently vascularise scaffolds. This limits the size of defects that can be repaired, as blood perfusion is necessary to provide nutrient and waste exchange to tissue at the core of scaffolds. The goal of this work was to systematically explore whether architecture, at a scale of hundreds of microns, can be used to direct the growth of microvessels into the core of scaffolds. A pipeline was developed for the production of hydroxyapatite surfaces with controlled architecture. Three batches of hydroxyapatite were used with two different particle morphologies and size distributions. On sintering, one batch remained phase pure and the other two batches were biphasic mixtures of α-tricalcium phosphate (α-TCP) and hydroxyapatite. Sample production methods based on slip casting of a hydroxyapatite-gelatin slurry were explored. The most successful of these involved the use of curable silicone to produce moulds of high-resolution, three dimensional (3D) printed parts with the desired design. Parts were dried and sintered to produce patterned surfaces with higher resolution than obtainable through conventional 3D printing techniques. Given the difficulties associated with the structural reproducibility of concave pores architectures in 3D reported in the literature, in this work, a 2.5D model has been developed that varies architectural parameters in a controlled manner. Six contrasting architectures consisting of semi-circular ridges and grooves were produced. Grooves and ridges were designed to have widths of 330 μm and 660 μm, with periodicities, respectively, of 1240 μm and 630 μm. Groove depth was varied between 150 μm and 585 μm. Co-cultures of endothelial cells and osteoblasts were optimised and used to grow microcapillary-like structures (referred to as "microvessels") on substrates. Literature shows that these precursors to microcapillaries contain lumina and can produce functional vasculature, demonstrating their clinical promise. The effects of the composition and surface texture of grooved samples on microvessel formation were studied. It was found that surface microtopography and phase purity (α-TCP content) did not affect microvessel formation. However, hydroxyapatite architecture was found to significantly affect microvessel location and orientation. Microvessels were found to form predominantly in grooves or between convexities. Two metrics - the degree of alignment (DOA) and the degree of containment (DOC) - were developed to measure the alignment of endothelial cell structures and their localisation in grooves. For all patterned samples, the CD31 (an endothelial cell marker) signal was at least 2.5 times higher along grooves versus perpendicular to grooves. In addition, the average signal was at least two times higher within grooves than outside grooves for all samples. Small deep grooves had the highest DOA and DOC (6.13 and 4.05 respectively), and individual, highly aligned microvessels were formed. An image analysis method that compares sample X-ray microtomography sections to original designs to quantify architectural distortion was developed. This method will serve as a useful tool for improvements to architectural control for future studies. This body of work shows the crucial influence of architecture on microvessel self-assembly at the hundreds of micron scale. It also highlights that microvessel formation has a relatively low sensitivity to phase composition and microtopography. These findings have important implications for the design of porous scaffolds and the refinement of fabrication technologies. While important results were shown for six preliminary architectures, this work represents a toolkit that can be applied to screen any 2.5D architecture for its angiogenic potential. This work has laid the foundations that will allow elucidating the precise correspondence between architecture and microvessel organisation, ultimately enabling the "engineering" of microvasculature by tuning local scaffold design to achieve desirable microvessel properties.

Cette thèse porte sur l'évaluation de la réponse cellulaire in vitro vis-à-vis de différentes stratégies de modification de surface pour améliorer la capacité d’ostéointégration de céramiques bioinertes pour implants orthopédiques et dentaires. Premièrement des surfaces l'alumine-zircone avec différentes micro-rugosités obtenues par moulage par injection ont été étudiées. Le comportement d'ostéoblastes primaires humains (obtenus à partir de têtes de fémurs soumis à arthroplastie) a été étudié sur les surfaces telles quelles ou modifiées par traitement avec acide hydrofluorique. La micro-rugosité a eu seulement un effet mineur sur la réponse ostéoblastique tandis que la combinaison de micro- et nano-rugosité a eu un effet synergique sur la maturation ostéoblastique. Cette stratégie de modification de surface ouvre la voie vers des cupules acétabulaires céramiques monoblocs directement ostéo-intégrées. Deuxièmement, le robocasting (une technique d’impression 3D) a été exploré pour la production de structures macroporeuses en alumine-zircone avec une haute reproductibilité et contrôle architectural. Les structures imprimées ont présentées une topographie aux multiples niveaux grâce au design et les conditions de frittage. Les ostéoblastes ont pu s'attacher sur les structures 3D mais la préservation des cellules à l’intérieur des scaffolds sur le long terme reste à améliorer. Des techniques de sélection rapide de modifications de surface ont fait l'objet de la dernière partie de cette thèse. Deux différentes stratégies ont été utilisées sur la zircone: laser femtoseconde pour la production de multiples motifs sur un échantillon unique et échantillons avec un gradient de rugosité via le contrôle du temps d’attaque chimique. La morphologie des cellules souches humaines a permis d'avoir un indicateur précoce de la lignée de différentiation cellulaire. En conclusion, les différentes techniques de modification de surface de zircone et alumine-zircone utilisées à travers la thèse peuvent moduler l’interaction cellule-matériau en stimulant la différentiation ostéoblastique de cellules souches et la maturation des ostéoblastes. / The focus of this PhD thesis is the in vitro evaluation of cell-material interactions on bioinert ceramics with novel surface modifications for enhanced osseointegration of orthopaedic and dental implants. Firstly, alumina-zirconia surfaces with different micro-roughnesses obtained by injection moulding were studied. The behaviour of human primary osteoblasts (hObs) obtained from patients undergoing total hip replacements was studied on the different micro-rough ZTA surfaces and on combined micro-/nano-rough surfaces modified by hydrofluoric acid treatment. Micro-roughness alone had minor effects on hOb response while the combination micro-/nano-roughness induced a synergic effect on hOb maturation. This latter surface modification technique opens the way to the fabrication of ceramic acetabular cups with direct implantation capabilities. Secondly, robocasting (a 3D printing technique) was explored for the fabrication of a alumina-zirconia macroporous structures with high reproducibility and control of the architecture. Roughness at different scales was observed for the 3D structures due to the scaffold design and to the low temperature sintering conditions. Osteoblasts were able to attach on the 3D structures but cell retention at long term needs further optimization. Rapid screening of cell-material interactions was the subject of the last part of the thesis. Two different strategies were tested on zirconia: femtosecond laser to produce multiple patterns on a single sample and samples with a roughness gradient by the control of chemical etching time. Stem cell morphology was used as an early marker of cell differentiation lineage. In conclusion, the different surface modification techniques of zirconia and alumina-zirconia surfaces used in the thesis allow the modulation of cell-material interactions by stimulating stem cells osteogenesis and osteoblast maturation.

Poor skeletal health results from aging and metabolic diseases such as obesity and diabetes and involves impaired homeostatic balance between marrow osteogenesis and adipogenesis. Tissue engineering provides researchers with the ability to generate improved, highly controlled and tailorable in vitro model systems to better understand mechanisms of homeostasis, disease, and healing and regeneration. Model systems that allow assembly of modules of MSCs, osteoblasts, and adipocytes in a number of configurations to engage in signaling crosstalk offer the potential to study integrative physiological aspects and complex interactions in the face of changes in local and systemic microenvironments. Thus, the overall goal of this dissertation was to examine integrative physiological aspects between MSCs, osteoblasts, and adipocytes that exist within the marrow microenvironment. To investigate the effects of intercellular signaling in different microenvironmental contexts, methods were developed to photolithographically pattern and assemble cell-laden PEG-based hydrogels with high spatial fidelity and tissue-scale thickness for long-term 3D co-culture of multiple cell types. This platform was applied to study effects of crosstalk between MSCs, osteoblasts and adipocytes on markers of differentiation in each cell type. Additionally, responses of MSCs to systemic perturbations in glucose concentration were modulated by mono-, co-, and tri-culture with these cell types in a model of diabetes-induced skeletal disease. Together, these studies provided valuable insight into unique and differential effects of intercellular signaling within the niche environment of MSCs and their terminally differentiated progeny during homeostatic and pathological states, and offer opportunities further study of integrative physiological interactions between mesenchymal lineage cells.

Einen Aspekt dieser Arbeit stellt die Analyse der Stimulation von Ratten-Calvaria-Osteoblasten (RCA) mit den beiden Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 während der Proliferations- sowie Differenzierungs- und Mineralisierungsphase dar. Hierfür soll die Phosphorylierung und Aktivierung von Erk1 und Erk2, sowie von Smad1 und Smad2 mit Hilfe eines Kinase-Aktivitätsassays sowie der Westernblot-Analyse untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll weiterhin untersucht werden, welche Bedeutung die Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 auf die Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP), einem wichtigen Differenzierungsmarker in Osteoblasten, ausüben. Enzymatische Aktivitätsbestimmungen und zytochemische Färbung aktiver ALP sollen darüber Aufschluss geben. Weiterhin soll der Gehalt an ALP-mRNA durch PCR bestimmt werden. Ein weiteres wichtiges Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Bedeutung von Erk1, Erk2, Smad1 und Smad2 auf die Aktivität der ALP. Dafür sollen Inhibitoren eingesetzt werden. Die enzymatische Aktivitätsbestimmung soll darüber aufklären. Außerdem soll mit Hilfe von kurzen, doppelsträngigen RNA-Molekülen (siRNA) ein knock down der Kinasen herbeigeführt werden und dessen Auswirkung auf die Aktivität der ALP enzymatisch bestimmt werden. Dafür muss zunächst die Wirksamkeit der siRNA auf RNA-Ebene mittels PCR und auf Proteinebene mittels Westernblot-Analysen überprüft werden. Zusätzlich soll die Bedeutung der Wachstumsfaktoren und der Kinasen Erk1 und Erk2 auf die Mineralisierung der RCA analysiert werden. Dafür wird die Menge des zellassoziierten Kalziums und Phosphats experimentell bestimmt, wodurch der Mineralisationsgrad der Zellen wiedergegeben werden kann.

L'optimisation des états de surface constitue un enjeu majeur pour les biomatériaux utilisés dans le domaine biomédical. Le titane (Ti) et ses alliages à base de nickel (NiTi) restent à ce jour les biomatériaux métalliques de prédilection dans nos applications cliniques en Odontologie (implants dentaires, instruments endodontiques, et arcs orthodontiques). Le but de nos recherche est d'optimiser les surfaces du Ti et NiTi en les fonctionnalisant par des films multicouches de polyélectrolytes (FMP). Notre travail propose d'étudier différents paramètres devant être impérativement validés avant d'envisager une quelconque application biomédicale in vivo avec ce type de revêtement. Une recherche bibliographique exhastive appuie notre recherche expérimentale. Le premier axe du travail propose de déterminer si des FMP peuvent effectivement s'adsorber chimiquement sur le Ti et le NiTi. qui plus est, une étude biologique est réalisée avec des cellules humaines pour tester la biocompatibilité des ces surfaces fonctionnalisées. La deuxième partie se concentre sur la biocompatibilité de la couche précurseur des FMP à base de polyéthyléneimine (PEI). Les résultats mettent en lumière une certaine cytotoxicité de la PEI envers des ostéoblastes et des fibroblastes gingivaux humain. Pour clore ce travail, nous réalisons des essais de stérilisation afin d'évaluer l'influence d'un tel procédé sur les FMP en terme de caractérisations physico-chimique et biologique des surfaces. La perspective d'une application biomédicale avec les FMP semble prometteuse, notamment en y introduisant des molécules bioactives. Cependant, bien d'autres paramètres sont encore à étudier avant d'envisager une application expérimentale et/ou clinique in vivo. Nous pouvons citer par exemple, le vieillissement des FMP, leur comportement en milieu salivaire ou fluoré, ou encore leur résistance à l'usure. Ces différents éléments rentrent dans les perspectives d'un projet post-doctoral. / Optimization of surface properties is a fundamental priority for biomaterials uses in biomedical applications. Titanium (Ti) and nickel-titanium alloys (NiTi) are the references in terms of metallic biomaterials for clinical applications in Odontology (Dental implants, endodontic instrumentations, and orthodontic arches). The aim of our work is to study the Ti and NiTi surfaces coated with polyelectrolytes multilayers films (PEM). Our work study various parameters needed to be validated before using this functionalized surface treatment for biomedical and clinical applictions in vivo. The first part of this work aims at defining the possibility to chemically adsorb PEM coating on Ti and on NiTi surfaces. Moreover, we have realized a biological study with human cells to test the biocompatibility of functionalized surfaces. In the second part of this thesis, we tested the biocompatibility of the multilayered structure in regards to the precursor base layer of PEM, the polyethyleneimine (PEI). Our reuslts show that the PEI is not cytotoxic towards osteoblasts and human gingival fibroblasts. Finally, we relaized tests of sterilization to evaluate PEM stability in terms of physico-chemical and biological surface characterizations. The development of specific biomedical applications for PEM is an exciting perspective, especially when these firms are functionalized with bioactive molecules. However, many other parameters murst be studied before imagining an experimental or clinical application in vivo. As an example, PEM degradation as well as behaviour in salivary or fluoride solution, still needs to be tested.