Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Suite à une lésion nerveuse majeure, la régénération du système nerveux périphérique est difficilement obtenue de façon naturelle. La continuité de nerfs importants doit couramment être rétablie de façon chimrgicale et la méthode de choix utilisée implique la greffe d'un nerf sain autologue de moindre importance, engendrant des déficits sensitifs chez le patient traité. Depuis des dizaines d'années, on tente de créer des guides nerveux alternatifs pouvant égaler ou surpasser la qualité de régénérescence nerveuse produite par l'utilisation de nerfs autologues. L'apparition de divers types de guides nerveux remplis de substances telles que des cellules de Schwann, des cellules souches ou encore des facteurs de croissance est une option intéressante pour une thérapie alternative aux greffes nerveuses. Dans cette étude, nous avons évalué la capacité d'un nouveau guide nerveux entièrement biologique à soutenir une croissance dirigée des cellules de Schwann. Un guide nerveux à la fois souple et solide, rapidement disponible et pouvant éliminer tout recours à l'immunosuppression chez le patient à greffer a été créé. Ce guide nerveux est constitué d'un tube externe et de bandes internes de matrice entièrement constituées de fibroblastes et de leur sécrétion matricielle. Il permet une croissance dirigée des différents types cellulaires qui y sont ensemencés et la création d'un réseau intrinsèque de pseudo-capillaires lors de son utilisation sous la forme vivante. Afin de coloniser la matrice interne du guide nerveux à l'aide de cellules de Schwann autologues tout en éliminant tout recours à une biopsie de nerf sain, nous avons différencié des cellules souches retrouvées dans la peau normale humaine en cellules de Schwann. Après cinq jours dans un milieu de différenciation, les cellules transformées ont exprimé certains marqueurs précoces des cellules de Schwann dont la protéine S100β, le récepteur aux neurotrophines p75NTR ainsi qu'un marqueur de cellules souches en différenciation, la nestine.

Les blessures nerveuses périphériques sont fréquentes et la récupération fonctionnelle suite à ce genre de traumatisme est bien souvent sous-optimale, particulièrement dans les cas de transsection nerveuse. Les patients souffrent alors de déficits fonctionnels permanents. L'intervention classique consiste à prélever un nerf sensitif superficiel et l'insérer entre les deux extrémités de la lésion. Cette façon de faire comporte toutefois plusieurs désavantages et les résultats obtenus sont souvent insatisfaisants. Plusieurs chercheurs tentent de développer un conduit pouvant remplacer l'autogreffe. Malheureusement, aucun des modèles développés jusqu'à présent ne surpasse l'autogreffe pour le traitement de lésions de plus de 3 centimètres. Ce mémoire présente un nouveau modèle de tube nerveux reconstruit composé uniquement de cellules vivantes et combinant des cellules de Schwann et un réseau de capillaires préformés. Bien qu'il faille encore optimiser certains paramètres du conduit et effectuer des tests in vivo, ce modèle innovateur semble très prometteur.

L’AVC représente la première cause d’handicap acquis chez l’adulte. L’AVC ischémique, représentant 87% des AVCs, est une pathologie complexe dont le premier facteur de risque aggravant est l’hypertension artérielle. À l’heure actuelle les seuls traitements disponibles sont la thrombolyse et la thrombectomie. Cependant, ces traitements présentent de nombreuses contre-indications et effets secondaires limitant leurs applications chez les patients. L’objectif des travaux menés dans cette thèse est l’évaluation d’un traitement pharmacologique, le RGTA (ReGeneraTing Agent), combiné ou non à un traitement cellulaire utilisant les cellules souches mésenchymateuses (CSMs), chez des rats normo- et hyper-tendus. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent qu’à la suite d’une ischémie cérébrale, les traitements évalués offrent une neuroprotection et une récupération fonctionnelle persistantes, chez les animaux noromo- et hyper-tendus. Cette récupération est expliquée par la réduction du volume lésionnel, par une meilleure plasticité cérébrale (angiogenèse, neurogenèse), ainsi par la potentialisation de l’effet des CSMs par le RGTA. En conclusion, nos études démontrent l’efficacité d’une thérapie robuste de neurorprotection chez le rongeur à la suite d’une ischémie cérébrale. / Stroke is the leading cause worldwide of adult severe disability. The limited available treatments for ischemic stroke, which accounts for 87% of strokes, makes it necessary to develop new therapeutical approaches. Stroke is a complex pathology and chronic hypertension (CAH) represents the first aggravating risk factor for ischemic stroke. At the present time, the only two available treatments for ischemic stroke, thrombolysis and thrombectomy, present several side effects limiting their clinical use. Here we evaluate the effect of a molecular RGTA (ReGeneraTing Agent) based therapy combined or not to a cellular therapy based on the use of mesenchymal stem cells (MSCs) for the treatment of ischemic stroke in normo- and hyper-tensive rats. The results demonstrate that the evaluated therapies confer a long lasting neuroprotection accompanied by animals’ functional recovery. Further analysis suggest that RGTA enhances brain plasticity (angiogenesis, and neurogenesis), protects the extracellular matrix structure, and potentiates MSCs’ beneficial effects. In conclusion, our studies demonstrate the efficacy of a molecular and cellular combined therapy conferring a persistent neuroprotection and functional recovery for the treatment of ischemic stroke.

L'anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) est une maladie dégénérative de la paroi vasculaire, actuellement traitée par chirurgie ou par endoprothèse. La diminution de la morbimortalité liée aux traitements et la réparation de ces vaisseaux pathologiques constituent un enjeu majeur de santé publique. L'objectif de ce travail de thèse est d'évaluer l'impact de la culture 3D sur les cellules souches mésenchymateuses (CSM), en particulier sur leur phénotype, leur multipotence, leur capacité à réparer les anévrysmes in vivo et à acquérir un phénotype adapté à la contrainte mécanique qu'elles subissent in vitro. Des conditions optimales de culture 3D dans un hydrogel d'acide hyaluronique préservant la multipotence des CSM in vitro ont ainsi été établies. Sous l'effet de contraintes mécaniques reproduisant celles subies par la paroi aortique in vivo, les CSM 2D et CSM 3D semblent garder une multipotence. Toutefois, dans ces conditions dynamiques, la viabilité des CSM 3D augmente contrairement à celle des CSM 2D. Les résultats montrent également que l'injection des CSM 2D ou 3D, en utilisant un modèle de xénogreffe chez le rat, stabilisent les AAA et améliorent la résistance mécanique de la paroi vasculaire anévrismale. L'étude réalisée chez le rat a été complétée par une approche thérapeutique cellulaire à base de CSM 3D dans le cas de faux anévrysmes chroniques de l'isthme chez le porc. Cette étape conduit à la caractérisation des CSM 3D et la mise au point du modèle expérimental chez le porc, ce qui permet d'envisager une thérapie cellulaire dans ce modèle. Plus généralement, ce travail contribue à la compréhension de la biologie des CSM et à l'amélioration des approches utilisées en thérapie cellulaire et en médecine régénérative. / Abdominal aortic aneurysm (AAA) is a degenarative disease of the arterial wall, which is usually treated with a conventional surgery or an andovascular stent. Due to its high morbidity and mortality, the AAA constitutes a major public health concern. The aim of this thesis is to evaluate the imapct of OD culture of mesenchymal stem cells (MSC), in particular on their phenotype, their multipotency, their ability to repair aneurysms in vivo and to acquire a phenotype suitable to the nechanical stress they support in vitro. Optmal culture conditions in a 3D hydrogel of hyaluronic acid preserving the multipotency of MSC in vitro have been established. Under mechanical effects, reproducing those supported by the aortic wall in vivo, 2D and 3D CSM seem to preserve their multipotency. However, under such dynamic conditions, the viability of 3D CSM increases unlike that of 2D CSM. By using a rat xenograft model, the results also show that injection of 2D or 3D CSM, stabilizes the AAA and improves the mechanical strenght of the aneurysmal vessel wall. The study in rat was supplemented by an evaluation of a therapeutic cell-based approach using 3D CSM in the case of chronic false aneurysms of the isthlus in pigs. This step allowed the characterization of 3D CSM and the development of an experimental model in pigs, which allows to consider cell therapy in this model. More genrally, this work contributes to a better understanding of CSM biology and to an improvement of the approaches used in cell therapy and regenerative medicine.

This thesis concerns the development of a new series of Sr-doped phosphate-based glasses for biomedical applications. Such glasses in powder form are envisaged to have applications in novel composite restorations where the following is achievable: dentin cell-mediated bioremineralization, dental pulp regeneration and as carrier for therapeutics or antibacterial ions.The initial aim was to produce soluble porous phosphate glasses using the sol-gel method (phosphate-alkoxide based sol-gel process). Knowing the effect that the variation of Ca content has on the dissolution properties of the glass, a series of glasses where Ca was progressively increased at the expense of Na was produced. The structure of the prepared samples was probed by XRD, XRF and FTIR to confirm the successful synthesis of the target phosphate-based glass compositions. After that a promising methodology was established, attempts were made to replace Ca with Sr. Different Sr sources were used without success due to the difficulty to fully dissolve those precursors in the sol-gel mixture. Subsequently, the issue of the toxicity of some precursors and solvents used in the sol-gel procedure was recognised. To overcome this obstacle, efforts were made to replace the toxic precursor chemicals with safer ones. Nevertheless, due to the low solubility of some new precursors and the low reactivity of others, the sol-gel process did not proceed in a predictable and reproducible fashion. At this stage, the sol-gel route was put aside, and two alternative soft and water-based chemical approaches were experimented: the precipitation method and the coacervation process. The first one was found to be unsuitable for our needs for two main reasons: 1) the presence of Na in the composition generated a crystalline material (instead of a glassy amorphous one); 2) the Ca/P ratio of our composition fell in the range of crystalline phase by using this method. In addition, the yield was really low. The second method (coacervation process) was a complete success. The glassy nature of the materials obtained was proved by XRD and XRF and the surface features were tested by BET and SEM. The process was retained for a while as the preferred synthesis route and both the scale-up effect and the possibility to add Sr were analysed. The production scale of the material was increased by 5 times and different Sr sources were tested to find the best one. XRD and XRF analysis proved both the success of the scale-up and the incorporation of the Sr in glass composition / This thesis concerns the development of a new series of Sr-doped phosphate-based glasses for biomedical applications. Such glasses in powder form are envisaged to have applications in novel composite restorations where the following is achievable: dentin cell-mediated bioremineralization, dental pulp regeneration and as carrier for therapeutics or antibacterial ions.The initial aim was to produce soluble porous phosphate glasses using the sol-gel method (phosphate-alkoxide based sol-gel process). Knowing the effect that the variation of Ca content has on the dissolution properties of the glass, a series of glasses where Ca was progressively increased at the expense of Na was produced. The structure of the prepared samples was probed by XRD, XRF and FTIR to confirm the successful synthesis of the target phosphate-based glass compositions. After that a promising methodology was established, attempts were made to replace Ca with Sr. Different Sr sources were used without success due to the difficulty to fully dissolve those precursors in the sol-gel mixture. Subsequently, the issue of the toxicity of some precursors and solvents used in the sol-gel procedure was recognised. To overcome this obstacle, efforts were made to replace the toxic precursor chemicals with safer ones. Nevertheless, due to the low solubility of some new precursors and the low reactivity of others, the sol-gel process did not proceed in a predictable and reproducible fashion. At this stage, the sol-gel route was put aside, and two alternative soft and water-based chemical approaches were experimented: the precipitation method and the coacervation process. The first one was found to be unsuitable for our needs for two main reasons: 1) the presence of Na in the composition generated a crystalline material (instead of a glassy amorphous one); 2) the Ca/P ratio of our composition fell in the range of crystalline phase by using this method. In addition, the yield was really low. The second method (coacervation process) was a complete success. The glassy nature of the materials obtained was proved by XRD and XRF and the surface features were tested by BET and SEM. The process was retained for a while as the preferred synthesis route and both the scale-up effect and the possibility to add Sr were analysed. The production scale of the material was increased by 5 times and different Sr sources were tested to find the best one. XRD and XRF analysis proved both the success of the scale-up and the incorporation of the Sr in glass composition

Nous avons déterminé la capacité de régénération du tissu vasculaire in vivo des CSM traitées avec BMP2 à la dose de [100 ng.mL-1] dans un modèle rat. Nous avons ainsi rapporté qu’une prothèse revêtue de CSM traitée par BMP2 pendant 1 semaine et implantée 14 jours chez le rat permettait la reconstitution des trois tuniques de la paroi mimant la structure de l’aorte. La capacité proangiogénique des CSM était augmentée par BMP2 grâce à la mise en jeu de voies intracellulaires impliquant le facteur induit par l’hypoxie (HIF-1α) via JAK/STATs. Nous avons montré que les CSM migraient sous l’influence de BMP2 par stimulation de l’activité du complexe enzymatique NADPH oxydase via l’augmentation de l’expression des protéines PAK1, Vav2 et RAC1 GTPase/PI3K. Ce travail a confirmé l’intérêt de l’utilisation de CSM conjointement à rh-BMP2, une protéine impliquée dans l’embryogénèse vasculaire, pour la bioingénierie de la régénération vasculaire. / We determined the capacity to regenerate vascular tissue in vivo, of MSC treated with BMP2 at a dose of [100 ng.mL-1] in a rat model. We have reported that a prosthesis coated with CSM treated 1 week with BMP2 and implanted in rats 14 days allowed the reconstruction of the three tunics of the wall that mimic the structure of the aorta. The proangiogenic capacity of MSCs was increased by BMP2 through the intracellular pathways involving hypoxia inducible factor (HIF-1α) via JAK / STAT. We have shown that MSCs migrated under the influence of BMP2 by stimulating the activity of the enzyme complex NADPH oxidase via the increased expression of PAK1 protein, Vav2 and RAC1 GTPase/PI3K. This work confirmed the interest of the use of MSC in conjunction with rh-BMP2, a protein involved in vascular embryogenesis for bioengineering for vascular regeneration.

Le but de notre étude visait à déterminer si les matrices ECM (extracellular matrix) préparés à partir d'un modèle vertébré (Axolotl) capables de régénérer ses tissus suite à une blessure sont plus efficaces pour stimuler les réponses régénératives chez les animaux non régénérant (par exemple les mammifères). Nous avons testé la capacité de matrice ECM axolotl à améliorer la guérison des plaies cutanées dans des souris et nous les avons comparés à une matrice disponible commercialement (échafaudage Symbios PerioDerm) pour leur efficacité à favoriser la guérison des plaies. Des lésions d'excision ont été créées sur le dos de souris et les animaux ont été regroupés dans différents groupes; a-) ECM de peau axolotl décellularisée (groupe Axolotl), b-) matrice de derme acellulaire Symbios Perioderm (groupe PerioDerm), c-) grillage en titane (groupe témoin); respectivement. Les tissus des plaies ont été récoltés à des moments précis : 7 jours et 30 jours après la blessure pour évaluer la guérison des plaies. La guérison des blessures ayant reçu les différentes matrices a été comparées entre elles en utilisant le test de transillumination et des analyses histologiques. Les résultats indiquent que la ECM de peau d’axolotl décellularisée est bien tolérée par les souris, car aucun rejet n'a été observé. Le groupe qui a reçu l'ECM de la peau axolotl décellularisé a démontré une réépithélialisation, une densité cellulaire, une teneur en collagène (avec une organisation similaire à un tissu intact) et une vascularisation (angiogenèse) élevées par rapport aux groupes PerioDerm et témoins. La présence de follicules pileux était également observé dans le groupe axolotl (qui n'est pas présent dans PerioDerm et groupes de contrôle). Sur la base de nos résultats, l'hypothèse de base semble être correcte en ce qu'une matrice ECM provenant d'un régénérateur puissant semble favoriser la guérison plus efficacement chez les animaux normalement non régénérants. Cependant, des recherches supplémentaires devront être menées pour confirmer ces résultats. / The aim of our study sought to determine whether ECM scaffolds prepared from a vertebrate model (Axolotl) capable of regenerating tissues following injury are more effective at stimulating regenerative responses in non-regenerating animals (e.g., mammals). We tested the ability of axolotl decellularized ECM scaffolds to improve skin wound healing in mammalian models and compare the axolotl skin ECM scaffold to a commercially available one (Symbios PerioDerm scaffold) for efficiency in promoting wound healing. Excisional lesions were created on the back of mice, and animals in different groups were treated by; a-) decellularized axolotl skin ECM (Axolotl group), b-) Symbios Perioderm acellular dermis scaffold (PerioDerm group), d-) Titanized mesh only (Control group); respectively. Wound tissues were harvested at time points: 7- and 30-days post-wounding to assess the scaffolds impact on wound healing. Wound healing was compared between the Axolotl, PerioDerm and Control groups using transillumination test and histological analyses, Results indicate that the decellularized axolotl skin ECM is well tolerated by mammalian models, as no immune rejection was observed. The axolotl group that received the decellularized Axolotl Skin ECM demonstrated high reepithelialization, cellular density, collagen content (in a porous pattern similar to intact skin), vascularization (angiogenesis) compared to PerioDerm and control groups. The presence of hair follicles was also observed in the axolotl group (which is not present in PerioDerm and control groups). Based on our results, the basic hypothesis appears to be correct in that an ECM scaffold from a strong regenerator seems to promote healing more efficiently in non-regenerating animals. However, further research should be conducted to confirm these findings.