Avec plus de 2 millions d’interventions chirurgicales par an dans le monde, les actes de chirurgie osseuse sont les plus fréquents, ce qui pousse les entreprises du secteur des biomatériaux pour la régénération osseuse à investir massivement pour sans cesse améliorer leurs produits. Cette thèse est issue d’un contrat CIFRE effectué avec l’entreprise Kasios afin de l’aider dans le développement de céramiques et polymères poreux principalement pour des applications en chirurgie maxillo-faciale. Les travaux réalisés s’articulent autour du développement de biomatériaux biphasiques à base de phosphate tricalcique béta (β-TCP). En premier lieu, des microfibres de polycaprolactone (PCL) incorporant des particules élémentaires de β-TCP ont été fabriquées par électrospinning. Les principales applications des fibres concernent la régénération osseuse guidée pour la préservation alvéolaire ou les opérations de relevés de sinus. L’électrospinning des fibres a utilisé des solvants ne présentant pas de toxicité aiguë. Les fibres ont formé des membranes manipulables qui peuvent être facilement découpées et suturées même en environnement humide. Les études in vitro n’ont révélé aucune cytotoxicité et les membranes ont permis la prolifération de cellules ostéoblastiques. La seconde étude a permis la fabrication d’éponges de gélatine et d’acide hyaluronique saturées ou recouvertes en surface de granules de β-TCP pour le comblement alvéolaire. Les éponges étaient facilement façonnables pour correspondre à l’alvéole du patient. Le chirurgien pourrait alors bénéficier de la nature biphasique du dispositif médical afin de faciliter l’implantation et éviter la manipulation séparée des éponges et des granules. L’utilisation des éponges permettrait par ailleurs d’assurer un positionnement idéal des granules pour la cicatrisation alvéolaire. La troisième étude, plus fondamentale, porte sur l’interaction des cellules osseuses avec le β-TCP et sa résorption. Des études de biomécanique et de biodégradation ainsi que de biodissolution ont également été réalisées sur des biomatériaux produits par l’entreprise. / With more than 2 million surgeries per year, bone tissue is one of the most concerned tissues and biomaterial companies have developed massive investments to continually improve bone regeneration.This thesis was conducted during a CIFRE contract (a tripartite contract linking a student, a university and acompany) and was done in association with the company Kasios for the development of new porous polymers and ceramics. This thesis was specifically centered in the development of biphasic biomaterials based upon beta tricalcium phosphate (β-TCP). First, polycaprolacton (PCL) microfibers incorporating β-TCP elementary particles were produced using electrospinning. These fibers were developed to provide membranes for guided bone regeneration usable in alveolar preservation and sinus lifting. Electrospinning of the fibers did not require any high toxicity solvent. Our fibers formed membranes that could easily be handled, cut and sutured in dry and wet environment. In vitrocytotoxicity studies confirmed the non-toxic nature of the material and showed the ability of the membranes to encourage survival and proliferation of osteoblastic cells. Secondly, freeze-dried gelatin and hyaluronicacid sponges saturated or embedded with β-TCP granules were developed for alveolar filling. Theses ponges could easily be shaped to fit the patient’s dental socket. The biphasic nature of the sponges could make the implantation easier and faster by avoiding surgeons to handle separately the granules and the sponges. This medical device could also insure a correct and optimal positioning of the granules for the patient healing. Lastly, a fundamental study was conducted on resorption of β-TCP and the interaction between bone cells and the biomaterial. Biomechanical and biodegradation/biodissolution studies were also done on different types of biomaterials produced by the company.

Les biomatériaux interviennent dans de nombreuses applications médicales. La connaissance de leur évolution une fois implantés dans l'organisme est primordiale pour les améliorer et en créer de nouveaux. Dans cette optique, nous avons réalisé une modélisation à deux dimensions de la transformation d'un biomatériau en os. Pour cette modélisation, nous utilisons la théorie de la percolation. Celle-ci traite de la transmission d'information à travers un milieu où sont distribués un très grand nombre de sites pouvant localement relayer cette information. Nous présentons un modèle de double percolation sites-liens, pour prendre en compte d'une part la vascularisation (et/ou résorption) du biomatériau de l'implant dans un os, et d'autre part sa continuité mécanique. Nous identifions les paramètres pertinents pour d'écrire l'implant et son évolution, qu'ils soient d'origine biologique, chimique ou physique. Les différents phénomènes sont classés suivant deux régimes, percolant ou non-percolant, qui rendent compte des phases avant et après vascularisation de l'implant. Nous avons testé notre simulation en reproduisant les données expérimentales obtenues pour des implants de corail. Nous avons réalisé une étude des différents paramètres de notre modèle, pour déterminer l'influence de ceux-ci sur chaque phase du processus. Cette simulation est aussi adaptable à différents systèmes d'implants. Nous montrons la faisabilité d'une modélisation à trois dimensions en transposant la partie statique de notre simulation.

La mise en évidence du caractère actif de la phase de la résolution de l'inflammation a ouvert la porte à de nouveaux paradigmes thérapeutiques pour les maladies inflammatoires. Des paradigmes qui reposent sur l’utilisation de médiateurs actifs ayant le potentiel de promouvoir la résolution de l’inflammation. En d’autres termes, ces médiateurs régulent la réaction inflammatoire, initient la réparation tissulaire et conduisent au retour de l’homéostasie. Parmi ces médiateurs, la résolvine D1 (RvD1) présente des propriétés anti-inflammatoires et prorésolutives remarquables et ce, dans divers fonctions et tissus de l’organisme. Bien que les effets de la RvD1 aient été bien caractérisés par de nombreuses recherches, son rôle potentiel au niveau ostéoarticulaire demeure peu documenté. Dans cette étude, nous approfondissons les connaissances sur l’effet de la RvD1 dans la protection et la préservation de l’intégrité ostéoarticulaire, en étudiant sa capacité à réguler les principaux facteurs impliqués dans la physiopathologie articulaire. Dans un premier temps, nous avons démontré que la RvD1 est bien présente dans l’environnement articulaire et que ses niveaux sont plus élevés dans le liquide synovial des genoux arthrosiques par rapport aux genoux sains. Ces genoux sont obtenus d’un modèle d’arthrose chez le chien réalisé lors d’une étude antérieure. Par la suite, nous avons étudié ses effets sur les composantes cellulaires de l’articulation. Sur les chondrocytes arthrosiques humains, nous avons démontré que la RvD1 inhibe l’expression des médiateurs inflammatoires et cataboliques induits par l'IL-1β, à savoir la COX-2, la PGE2, l’iNOS, le NO et la MMP-13. L’étude des voies de signalisation a ensuite révélé que la RvD1 s’oppose à l'activation de NF-κB / p65, p38 / MAPK et JNK1 / 2, induite par l’IL-1β. En plus de ces remarquables effets, la RvD1 confère une protection contre l’apoptose cellulaire et le stress oxydatif induits par le HNE, tel que démontré par l'inactivation des caspases, l'inhibition de la libération de la LDH, l’augmentation des taux de la Bcl-2 et de l’AKT, ainsi que la stimulation du GSH. À côté des chondrocytes, la RvD1 a montré des effets puissants sur les ostéoclastes. En effet, elle inhibe la différenciation et l'activation des ostéoclastes tel que démontré par l’inhibition de l’expression de TRAP et de la cathepsine K. Elle réduit l’expression de TNF-α, de l’IL-1β, de l’IFN-γ, de la PGE2 et de RANKL, induite par le LPS et augmente celle de l’IL- 10. De plus, elle protège contre la résorption de la matrice d’hydroxyapatite ainsi que l’érosion ii de la matrice osseuse ex vivo, induites par le RANKL et le M-CSF. Enfin, l’étude des propriétés de la RvD1 dans un modèle d’arthrite chez la souris a révélé qu’elle réduit le score clinique, l'inflammation de la patte et la destruction des os et des articulations. De surcroit, elle inhibe les médiateurs inflammatoires et diminue significativement les marqueurs sériques du remodelage osseux et cartilagineux. Nos résultats sont très prometteurs et confirment le potentiel de la RvD1 dans la résolution de l’inflammation et le maintien de l’intégrité articulaires. Ils mettent ainsi en évidence sa pertinence clinique en tant qu’agent actif dans la prise en charge thérapeutique des maladies ostéoarticulaires. / The recognition of the proactive character of the resolution phase of inflammation has revealed alternative therapeutic paradigms for inflammatory conditions, based on the use of active mediators capable of promoting the resolution of inflammation. In other words, these mediators regulate the inflammatory response, initiate tissue repair and promote the return to homeostasis. Among them, resolvin D1 (RvD1) has remarkable anti-inflammatory and proresolutive properties. Although the effects of RvD1 have been well studied, its potential role in the osteoarticular tissues remains poorly documented. In this study, we expand our understanding of the potential of RvD1 in protecting and preserving joint integrity by studying its ability to regulate the major factors involved in the articular pathophysiology. First, we demonstrated that RvD1 is produced in the articular environment and that its levels are higher in the synovial fluid of osteoarthritic knees compared to healthy knees. The knees were obtained from an osteoarthritic dog model performed in a previous study. Therefore, we studied RvD1 actions on the cellular components of the joint. In human osteoarthritic chondrocytes, we demonstrated that RvD1 inhibits IL-1β-induced inflammatory and catabolic mediators, namely COX-2, PGE2, iNOS, NO, and MMP-13. This led to the study of signaling pathways, which revealed that RvD1 counter-regulates IL-1β-induced activation of NF-κB / p65, p38 / MAPK and JNK1 / 2. In addition, RvD1 confers a protection against cellular apoptosis and oxidative stress induced by HNE, as revealed by caspases inactivation, LDH inhibition, as well as increased levels of Bcl-2, AKT, and GSH. In addition to chondrocytes, RvD1 showed remarkable effects on osteoclasts. Indeed, it inhibits osteoclast differentiation and activation, as demonstrated by the inhibition of TRAP and cathepsin K expression. Moreover, it reduces LPSinduced TNF-α, IL-1β, IFN-γ, PGE2 as well as RANKL and concurrently increases IL-10 expression. Furthermore, it inhibits RANKL and M-CSF-induced hydroxyapatite matrix degradation and bone matrix erosion, ex vivo. Finally, the study of the properties of RvD1 in a mouse model of arthritis, revealed that it alleviates the clinical score, paw inflammation, as well as bone and joint destruction. Furthermore, it reduces the inflammatory mediators and significantly decreases serum markers of bone and cartilage remodeling. Our results are very promising and confirm the high potential of RvD1 in resolving inflammation and preserving joint integrity. They highlight its clinical relevance as a therapeutic agent for the management of osteoarticular diseases.

Chaque année, des chevaux de course décèdent de fractures complètes lors d’entrainement ou de course. A l’exercice, les charges supra-physiologiques cycliques entrainent des microfissures indiscernables par les techniques d’imagerie in vivo actuelles. Les ostéoclastes recrutés aux sites lésés induisent localement une lyse osseuse et une ostéopénie par résorption excessive, créant une concentration de contrainte à l’origine de fracture complète. Cependant, le rôle biologique des ostéoclastes dans les fractures de stress n’est à ce jour pas clairement identifié. Les objectifs de cette étude ont été d’établir des cultures in vitro d’ostéoclastes équins, corréler le nombre d’ostéoclastes avec l’isoforme 5b de l’enzyme phosphatase acide tartrate-résistante (TRACP 5b), corréler la résorption osseuse avec la TRACP-5b et le télopeptide C-terminal du collagène de type I (CTX-I) et étudier les effets de facteurs d’inflammation sur l’activité ostéoclastique. Après aspiration de moelle osseuse sternale, les cellules souches hématopoïétiques ont été isolées, conservées dans une banque cellulaire, décongelées, différenciées en ostéoclastes, avec ou sans os équin, et stimulées par des facteurs inflammatoires (IL-1β ou LPS). CTX-I et TRACP-5b ont été dosés par ELISA. Le nombre d’ostéoclastes colorés à la phosphatase acide tartrate-résistante et les aires de résorption osseuse colorées au bleu de toluidine ont été évalués. Dans les cultures d’ostéoclastes, la TRACP-5b augmentait (p < 0,0001) avec le temps et était corrélée (r = 0,63, p < 0.001) avec le nombre d’ostéoclastes. Dans les cultures d’ostéoclastes sur os, le CTX-I (p = 0,0018) et la TRACP-5b (p = 0,02) augmentaient avec le temps, étaient corrélés ensemble (r = 0,64, p < 0,002) et étaient tous deux corrélés avec la résorption osseuse (respectivement, r = 0,85, p < 0,001 et r = 0,82, p < 0,001). La stimulation inflammatoire n’a eu aucun effet significatif. Ostéoclastes équins et résorption osseuse ont été obtenus avec succès sur os équin à partir d’aspiration de moelle osseuse sternale. Pour la première fois, CTX-I et TRACP-5b ont été mesurés dans des cultures d’ostéoclastes équins. In vitro, CTX-I est un biomarqueur de résorption osseuse équine et TRACP-5b un biomarqueur du nombre d’ostéoclastes et de résorption osseuse équins. Des recherches ultérieures sont nécessaires afin d’évaluer si la TRACP 5b sérique permet la détection de toute résorption osseuse excessive chez les chevaux de course. / Every year racehorses die from complete catastrophic fractures in training and racing. Supra-physiological cyclic loads during exercise cause bone microcracks not discernible with current imaging in vivo. Osteoclasts recruited to the sites of the damage induce focal bone lysis and osteopenia by excessive resorption, creating a stress riser area susceptible to complete fracture. However, the biological impact of osteoclasts in stress fractures is not entirely understood. Our objectives were to establish in vitro cultures of equine osteoclasts, to correlate osteoclast numbers with the tartrate-resistant acid phosphatase 5b isoform (TRACP-5b), to correlate bone resorption with the TRACP-5b and the C-terminal telopeptide of type I collagen (CTX-I), as well as to investigate the effects of inflammatory factors on osteoclast activity. Following equine sternal bone marrow aspirations, hematopoietic stem cells were isolated, stored in a cell bank, thawed, differentiated into osteoclasts, with or without equine bone slices, and they finally underwent inflammatory stimulation (IL-1β or LPS). CTX-I and TRACP 5b were assayed by ELISAs. Osteoclasts stained with tartrate resistant acid phosphatase were counted and bone resorption areas stained with toluidine blue were measured. In the osteoclast cultures, the TRACP 5b increased (p < 0.0001) with time and correlated (r = 0.63, p < 0.001) with osteoclast number. In the osteoclast-bone cultures, both CTX-I (p = 0.0018) and TRACP-5b (p = 0.02) increased with time, correlated with each other (r = 0.64, p < 0.002) and both correlated with bone resorption (r = 0.85, p < 0.001 and r = 0.82, p < 0.001, respectively). The inflammatory stimuli had no significant effects. Equine osteoclasts and bone resorption were successfully induced on equine bone from sternal bone marrow aspiration. For the first time CTX-I and TRACP-5b were measured in equine osteoclast cultures. In vitro, CTX-I is a biomarker of equine bone resorption and TRACP-5b a biomarker of equine osteoclast number and bone resorption. Further investigations are required to measure the serum TRACP-5b capacity to detect excessive skeletal resorption in racehorses.

Le rachitisme vitamino-résistant hypophosphatémique (RVRH) est une maladie génétique rare causée par des mutations du gène PHEX. La perte de fonction de la protéine PHEX conduit à l’augmentation du FGF23, une hormone circulante qui agit sur le rein et entraîne une perte systémique de phosphate. Le squelette rachitique des patients atteints de RVRH présente des déformations osseuses et une ostéomalacie. La dentine hypominéralisée des patients est à l’origine d’abcès dentaires fréquents, mais le statut parodontal des patients RVRH est mal connu, de même que leur risque de développer une parodontite pouvant aboutir à la perte des dents. La fonction et le substrat de la protéine PHEX ne sont pas identifiés avec exactitude. Il a été montré in vitro que PHEX avait la capacité d’interagir et de dégrader des protéines membres de la famille des SIBLINGs comme MEPE ou OPN, toutes les deux impliquées dans la régulation de la minéralisation des tissus osseux et dentinaires, mais on ne sait pas si in vivo les défauts de minéralisation observés résultent principalement de l’hypophosphatémie systémique ou bien également des effets directs de l’absence de PHEX sur les protéines régulatrices de la minéralisation. L’objectif de cette thèse a consisté à s’intéresser à la physiopathologie du parodonte dans le RVRH ainsi qu’à déterminer quel était l’impact de la mutation de PHEX dans un modèle de biominéralisation humaine où les conditions de concentration en phosphate pouvaient être ajustées et normalisées. Nous avons d’abord analysé le statut parodontal de 34 patients RVRH dans une étude clinique cas-témoins et ainsi montré que les malades dont la supplémentation en phosphate et vitamine D était tardive ou incomplète présentaient une fréquence et une sévérité accrues de maladie parodontale. Le phénotype parodontal du RVRH a alors été étudié sur des échantillons humains et sur le modèle murin du RVRH, la souris HYP. Nous avons réalisé un modèle d’égression dentaire de façon à permettre une apposition du cément cellulaire, ainsi qu’un modèle de résorption et de réparation osseuses parodontales afin de caractériser l’impact du RVRH sur la physiopathologie parodontale. Nos résultats ont montré que le phénotype parodontal et sa physiopathologie étaient très perturbés dans le rachitisme vitamino-résistant hypophosphatémique et chez la souris HYP, nous avons aussi pu mettre en évidence que le rôle pathologique majeur joué par l’ostéopontine dans le tissu osseux au cours du RVRH ne pouvait pas être généralisé aux autres tissus minéralisés du parodonte. De façon à identifier le rôle de PHEX dans la minéralisation matricielle locale indépendamment de la phosphatémie systémique, nous avons ensemencé des matrices de collagène dense avec des cellules primaires humaines issues de patients RVRH comparés à des contrôles que nous avons cultivés pendant 24 jours en conditions ostéogéniques avec des concentrations en phosphate identiques. Nos résultats ont montré que malgré une concentration normale en phosphate, la perte de fonction de la protéine PHEX entraînait une diminution de la quantité et de la qualité de la phase minérale et une accumulation et une dégradation pathologiques de la protéine OPN. Les contributions originales de ce travail de thèse doctorale ont consisté à démontrer sur le plan clinique et biologique la susceptibilité accrue du rachitisme hypophosphatémique lié à l’X quant au risque de développer une maladie parodontale, ainsi qu’à apporter la preuve d’un rôle pathologique de l’absence de PHEX indépendant de la phosphatémie sur des cultures primaires humaines. / X-linked hypophosphatemia (XLH) is a rare X-linked dominant disorder caused by inactivating mutations in the PHEX gene. The impairment of PHEX protein leads to an increase in FGF23, a circulating factor that causes systemic loss of phosphate. The rachitic skeleton of patients with XLH displays short stature and osteomalacia. Dental defects include poorly mineralized dentin and spontaneous dental abscesses. Little is known about the periodontal condition of XLH and if patients are more prone to develop periodontitis, eventually leading to tooth loss. Although the exact function and substrate of PHEX are not known, it has been shown in vitro that PHEX could interact with SIBLING proteins such as MEPE or OPN, both involved in the regulation of bone and dentin mineralization, but it is not yet clear if the defects in the calcified extracellular matrices of XLH are caused by systemic hypophosphatemia only, or also by local consequences of the absence of PHEX. The aim of this doctoral dissertation was to explore the pathobiology of the XLH periodontium and to determine the impact of PHEX deficiency at the local level in a model of human biomineralization where phosphate supply could be adjusted and normalized. We first examined 34 adults with XLH in a case-control study and observed that periodontitis frequency and severity were increased in individuals with late or incomplete supplementation in phosphate and vitamin D analogs. The periodontium was then analyzed in XLH dental roots and further characterized in the Hyp mouse, the murine model of XLH. We performed a model of tooth movement adaptation leading to the formation of cellular cementum and a model of periodontal breakdown and repair to investigate the impact of XLH on the pathobiology of periodontal tissues. Our results showed strongly affected XLH/Hyp periodontal phenotype and impaired pathobiology and suggested that the key role played by OPN in bone could not be generalized to other periodontal mineralized tissues. In order to determine the role of PHEX in local human mineralization, dense collagen gels were seeded with primary human dental pulp cells harvested from XLH patients displaying PHEX mutations and age-matched healthy individuals. Cell-seeded gels were cultured up to 24 days under osteogenic conditions and controlled phosphate medium concentrations. Our results showed that despite normal phosphate concentrations, PHEX deficiency led to decreased quantity and quality of the mineral phase and a pathologic accumulation and processing of OPN. Overall the original contributions of this doctoral dissertation consist in the demonstration of a higher susceptibility of XLH patients to periodontitis and in the evidence of a local effect of PHEX deficiency in the pathologic intrinsic mineralization from XLH osteogenic cells.