Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2002. / Bibliogr.: f. 279-312. Publié aussi en version électronique.

L'évolution du génie tissulaire a permis la création de tissus accessible pour le traitement de différentes maladies et traumas. La disponibilité d'un substitut vasculaire tridimensionnel reconstruit par génie tissulaire (TEBV, Tissue-engineered blood vessel) offre un bon outil de recherche en physiologie cellulaire. Notre groupe fut le premier à créer un TEBV ne contenant aucun matériel exogène. Cette avancée se fit à l'aide de la technique d'auto-assemblage qui se base sur la production endogène de matrice extracellulaire (MEC) par les cellules et les conditions de culture cellulaires dynamiques mimant la physiologie vasculaire. La caractérisation de ce substitut est importante pour d'éventuels essais cliniques, mais aussi en recherche fondamentale. Dans cette étude, nous avons utilisé ce modèle pour caractériser les réponses endothéliales face aux forces hémodynamiques ainsi que le comportement biomécanique du TEBV en présence de ces contraintes. Les modèles ont été maintenus dans un bioréacteur relié à une pompe péristaltique qui créée un flux pulsatile dans la lumière du TEBV générant ainsi des contraintes de cisaillements. Les résultats histologiques montrent une bonne fusion entre les 3 tuniques du TEBV. De plus, les tests biomécaniques donnent des résultats s'approchant des valeurs physiologiques ce qui nous indique une maturation appropriée des différentes couches et reflète bien son potentiel clinique. Les observations en immunofluorescence révèlent que les cellules endothéliales (CE), connue pour être des senseurs des forces présentes, expriment des marqueurs fonctionnels comme PECAM, Ve-Cadhérine, ZO-1 et le facteur von Willebrand. Ces observations nous ont aussi permis de constater que les CE s'alignaient en direction du flux conformément à ce qui est observé in vivo. Les analyses des MAPK ERK 1/2 et p38 et de la petite GTPases Rapl en western blot et précipitation sélective indiquent que les CE du TEBV peuvent déclencher certaines voies de signalisation impliquées en mécanotransduction. Du même fait, les PCR quantitatifs montrent l'expression de Tintégrine ctvp3, molécule d'adhésion cellule-matrice communément retrouvée dans Tendothélium. En conclusion, notre TEBV exhibe des propriétés adéquates, autant au niveau biomécanique qu'endothélial, pour un modèle in vitro ou encore pour de futures études précliniques.

Le génie tissulaire vise à remplacer, réparer ou reproduire un organe ou un tissu pour des fins de chirurgie reconstructive ou de remplacement et pour servir de modèle d’étude et de recherche. Les substituts vasculaires produits par génie tissulaire peuvent être partiellement caractérisés en mesurant certaines de leurs propriétés mécaniques telles que la pression d’éclatement et la compliance et en les soumettant à des essais de fatigue et de fluage. La mesure des ces caractéristiques permet de vérifier que la méthode de fabrication produit des substituts vasculaires présentant des caractéristiques d’ordre physiologique. Un système permettant la mesure de ces propriétés mécaniques de manière fiable, précise et répétitive a été conçu et fabriqué. Ce système contrôlé par ordinateur soumet les substituts à des pressions hydrodynamiques dont les valeurs sont enregistrées de façon synchronisée avec les mesures de diamètre du substitut. L’analyse des données produites permet de calculer les propriétés mécaniques d’intérêts. / Tissue engineering presents a promising approach for producing tissues to replace, repair or reproduce tissues and organs to be used for reconstructive surgery or as a research model. Tissue engineered vascular constructs can be partially characterized by measuring certain mechanical properties such as burst pressure and compliance and submitting them to creep and fatigue tests. Measuring these mechanical properties allows researchers to assess a method’s capability of producing vascular constructs possessing mechanical properties similar to those of native vessels. A system to measure these important mechanical properties in a reliable, precise and repeatable manner was designed and built. The computer controlled system exposed the vascular constructs to various hydrostatic pressures and simultaneously recorded the construct’s internal pressure and external diameter. These values are then used to calculate the mechanical properties of interest.

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Le génie tissulaire ossseux est un domaine de la médecine régénératrice qui permet la production de substituts à partir des cellules du patient en association avec des biomatériaux, ou non, et des facteurs de croissance, tels que les bone morphogenetic proteins (BMP). La composition chimique ou l'origine xénogénique de ces biomatériaux peut mener à des échecs de guérison qui se traduisent alors par la non-intégration du greffon au tissu natif environnant ou le rejet par le corps du patient. En outre, en absence de vascularisation, le centre des tissus épais produits se retrouvera avec un apport réduit, voir insuffisant en nutriments et oxygène. Ceci peut diminuer considérablement la survie des greffons et la guérison après la greffe. Nous avons émis l'hypothèse que la prévascularisation de ces substituts osseux procurera un réseau capillaire pouvant favoriser l'ostéogenèse in vitro et la guérison osseuse in vivo. Le but global de cette thèse est de développer un nouveau modèle de feuillet osseux humain prévascularisé produit par la méthode d'auto-assemblage à partir des cellules souches du tissu adipeux (CSTA). Les objectifs sont : 1) Déterminer le potentiel pro-angiogénique de ces feuillets osseux, et étudier le développement de structures microvasculaires bio-imprimées par laser. 2) Caractériser la formation d'un réseau capillaire produit grâce à un ensemencement aléatoire de cellules endothéliales et évaluer l'impact de ce dernier sur l'ostéogenèse, la biominéralisation et la guérison de défauts osseux calvariens. 3) Améliorer l'ostéogenèse des tissus par un traitement à la BMP et déterminer le potentiel de substituts osseux, co-cultivés ou non avec des cellules endothéliales, à stimuler la guérison des défauts osseux alvéolaires. Ainsi, des CSTA ont été induites dans une voie de différenciation ostéogénique pour former des feuillets osseux manipulables. Ces feuillets ont présenté un profil pro-angiogénique avec la sécrétion de molécules, telles que le vascular endothelium growth factor (aussi élevé que les feuillets non différenciés) et l'angiopoiétine-1 (2,3 fois plus élevé que les feuillets non différenciés), pouvant favoriser la formation et le maintien d'un réseau capillaire. De larges structures capillaires ont été formées par la bio-impression par laser de cellules endothéliales extraites de cordons ombilicaux humains (HUVEC). L'alignement de ces structures dépend de l'orientation cellulaire des feuillets empilés. Des tissus osseux prévascularisés par la méthode d'ensemencement aléatoire ont permis la formation d'un réseau capillaire 2,1 fois plus dense et 3,7 fois plus ramifié comparativement aux tissus non différenciés. Cependant, la prévascularisation retarde l'ostéogenèse et la biominéralisation in vitro, avec des réductions de la sécrétion en ostéocalcine (1,7 fois) et de la formation d'hydroxyapatite (1,6 fois) dans la matrice des feuillets osseux. Une amélioration de la survie des greffons osseux lorsqu'ils ont été prévascularisés (5,7 fois) a été révélée après 12 semaines d'implantation dans des défauts osseux calvariens créés dans des rats immunodéficents. En outre, les résultats suggèrent que la prévascularisation des tissus osseux ne nuit pas à la cicatrisation osseuse des défauts crâniens. Afin d'améliorer le potentiel du modèle, les effets d'un traitement à la BMP-9 sur l'ostéogenèse des CSTA, ainsi que l'impact de leur co-culture avec des HUVEC durant 21 jours, ont été étudiés. Ainsi, un traitement à la BMP-9 des tissus osseux a permis d'augmenter significativement l'activité de la phosphatase alcaline (3 fois), alors que la prévascularisation permet d'augmenter considérablement l'épaisseur (2 fois) et les propriétés mécaniques (pourcentage de déformation : 1,6 fois, module de Young : 3,6 fois et résistance à la traction : 3,7 fois) des tissus osseux après 21 jours de co-culture. Des tissus osseux et stromaux non traités, prévascularisés ou traités à la BMP-9 ont été greffés pendant dix semaines dans des défauts osseux alvéolaires créées chez des rats immunodéficients suite à des extractions dentaires. Un biomatériau chirurgical de comblement osseux a été utilisé comme contrôle positif. Des analyses par micro-tomodensitométrie et des observations histologiques ont révélé une guérison osseuse élevée lorsque les défauts ont été greffés avec des tissus osseux traités à la BMP-9 ou non. En outre, ces défauts ont présenté un volume osseux similaire à ceux comblés avec le biomatériau. Finalement, ce nouveau modèle de tissu osseux humain prévascularisé pourrait ultimement offrir aux cliniciens une solution avantageuse pour les traitements de petits défauts osseux en plus de représenter, pour les chercheurs fondamentaux, un outil de recherche in vitro performant. / Bone tissue engineering is a field of regenerative medicine that allows the production of substitutes from the patient's cells in association with either biomaterials and/or growth factors, such as bone morphogenetic proteins (BMPs). The chemical composition or the xenogeneic origin of these biomaterials can lead to healing failures that would result in the non-integration of the graft to the surrounding native tissue or the rejection by the patient's body. Moreover, in the absence of vascularization, the center of thick tissues produced will end up with reduced or insufficient intake of nutrients and oxygen. This can significantly reduce graft survival and post-implantation healing. We hypothesized that the prevascularization of these osseous substitutes will provide a capillary network that can promote in vitro osteogenesis and in vivo bone healing. The overall goal of this thesis is to develop a new model of a prevascularized human osseous cell sheet produced by the self-assembly method using human adipose-derived stem cells (hASCs). The aims are: 1) Determine the pro-angiogenic potential of these osseous cell sheets, and study the development of laser-assisted bioprinted microvascular structures. 2) Characterize the formation of a capillary network produced by random seeding of endothelial cells and evaluate its impact on osteogenesis, biomineralization, and the healing of calvarial bone defects. 3) Improve osteogenesis of the tissues using bone morphogenetic protein (BMP) treatment and determine the potential of osseous substitutes, co-cultured or not with endothelial cells, to heal alveolar bone defects. Thus, hASCs have been induced towards an osteogenic differentiation pathway to form manipulable osseous cell sheets. These cell sheets showed a pro-angiogenic profile with the secretion of molecules, such as vascular endothelium growth factor (as high as non-induced cell sheets) and angiopoietin-1 (2.3-fold higher than non-induced cell sheets), that can promote the formation and the maintenance of a capillary network. Large endothelial structures were formed by laser-assisted bioprinting of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). The alignment of these structures depends on the cellular orientation of the stacked cell sheets. Prevascularized osseous tissues, which were vascularized by the random seeding method, allowed the formation of a capillary network 2.1-fold denser and 3.7-fold more connected compared to non-induced tissues. However, prevascularization delayed osteogenesis and biomineralization in vitro, with decreases in osteocalcin secretion (1.7-fold) and hydroxyapatite formation (1.6-fold) in the matrix. Prevascularization of the osseous grafts revealed an improvement of their survival (5.7-fold) after 12 weeks of implantation in calvarial bone defects created in immunodeficient rats. In addition, these results suggest that the prevascularization of osseous tissue does not interfere with the healing of cranial bone defects. To improve the potential of the model, the osteogenic effect of BMP-9 treatment on hASCs, as well as the impact of their co-culture with HUVECs for 21 days, were investigated. BMP-9 treatment of osseous tissues significantly increased the activity of alkaline phosphatase (3-fold), while prevascularization significantly increased the thickness (2-fold) and the mechanical properties (percent deformation: 1.6-fold, Young modulus: 3.6-fold and tensile strength: 3.7-fold) of the osseous tissues after 21 days of co-culture. Untreated, prevascularized or BMP-9-treated osseous and stromal tissues were grafted for 10 weeks into alveolar bone defects created in immunodeficient rats following tooth extractions. A surgical bone filler biomaterial was used as a positive control. Micro-computed tomography scans and histologic observations revealed elevated bone healing when the defects are grafted with BMP-9-treated or non-BMP-treated osseous tissues. In addition, these defects exhibited a similar bone volume fraction at the implantation site after 10 weeks compared to those filled with the biomaterial. Finally, this new model of prevascularized human osseous tissue could ultimately offer clinicians an advantageous solution for the treatment of small bone defects and represent, for fundamental researchers, a powerful in vitro research tool.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [101]-123. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse d'université : Sciences de la vie et de la santé. Pharmacologie et pharmacochimie : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 8 p.

Thèse d'exercice : Médecine. Médecine générale : Nantes : 2007. / Bibliogr.

Le réseau vasculaire est composé non seulement des vaisseaux sanguins mais aussi des vaisseaux lymphatiques. Les premiers assurent l'approvisionnement des cellules en nutriments et oxygène et la récolte de leurs déchets métaboliques tandis que les seconds collectent les fluides, macromolécules et cellules immunitaires extravasés dans les tissus interstitiels pour les ramener à la circulation sanguine. Au cours de ces travaux de recherche, nous avons mis au point un substitut cutané reconstruit par génie tissulaire, contenant un réseau sanguin fonctionnel, exempt de toute matière exogène et potentiellement autologue. Ses applications cliniques sont particulièrement prometteuses puisque l'une des raisons majeures d'échec des greffes de peau sur les patients grands brûlés par exemple est la nécrose du greffon. Au cours d'une étude in vivo, nous avons démontré que le réseau contenu dans notre substitut cutané est fonctionnel, s'inoscule en moins de quatre jours avec le réseau vasculaire de l'hôte et qu'il apporte un avantage à la néovascularisation par rapport à un substitut non microvascularisé. Un substitut cutané microvascularisé tumoral a ensuite été développé pour étudier la biologie du mélanome. Notre modèle est particulièrement pertinent et complet pour ce type d'étude puisque les cellules cancéreuses interagissent avec les trois principaux types cellulaires du derme et de l'épidémie et évoluent au sein d'une matrice extracellulaire sécrétée par ces cellules. Ainsi, il a été vérifié que les cellules cancéreuses conservent le même type de comportement, tant au niveau du potentiel invasif que du potentiel pro-angiogénique, dans notre modèle tridimensionnel de peau qu'/« situ chez les patients. Les capillaires lymphatiques fournissent une voie privilégiée pour le processus métastatique de cancers comme les mélanomes, c'est pourquoi nous travaillons à ajouter un réseau lymphatique à notre substitut cutané microvascularisé. Jusque là, nous avons démontré que les cellules endothéliales lymphatiques s'organisent spontanément en réseau dans un substitut 3D de tissu conjonctif.

Les maladies cardiovasculaires représentent une des principales causes de décès dans le monde et différentes actions sont en place depuis des décennies pour comprendre les mécanismes d’action de ces maladies et leur impact sur le corps humain. Dans l’optique de venir en aide aux personnes souffrant de ces maladies, le génie tissulaire vasculaire émerge comme une technologie prometteuse afin de favoriser la régénération des tissus et des organes endommagés. Cependant, les modèles issus du génie tissulaire, en plus d’être biologiquement et chimiquement comparables au tissu natif, doivent également présenter des propriétés mécaniques permettant aux modèles de répondre aux différentes fonctions physiologiques. Dans cette optique, il est nécessaire de concevoir, optimiser et développer une série d’essais permettant de vérifier les performances mécaniques des constructions regénérées. De nombreuses approches ont été déployées dans ce domaine contenant chacune ses avantages et ses inconvénients, mais il n’existe pas, à l’heure actuelle, aucun standard sur le protocole des essais mécaniques à préconiser avec un échantillon spécifique. Dans ce contexte, le projet de ce mémoire a été de concevoir et de valider des protocoles de caractérisation mécanique non-conventionnels appliqués spécifiquement à des tissus vasculaires. Tout d’abord, un protocole pour la caractérisation mécanique de gels de collagène en configuration plane à été développé. Ensuite, ce protocole à été étendu pour la modélisation numérique afin d’étudier l’applicabilité d’un modèle poro-viscoélastique. Par la suite, des protocoles expérimentaux ont été développés afin de permettre la densification de gel de collagène ainsi que leur caractérisation mécanique. Enfin, une caractérisation expérimentale d’aortes de souris calcifiées à été réalisée. Dans son ensemble, l’étude exécutée dans le cadre de cette maîtrise à permis l’approfondissement des connaissances dans le domaine de la caractérisation mécanique des tissus mous viscoélastiques. Ce mémoire présente également d’autres techniques de caractérisation mécanique pour différents types de tissus vasculaires. D’autres protocoles de tests développés dans le cadre de collaboration avec d’autres groupes de recherche sont décrits dans ce mémoire. / Cardiovascular diseases represent one of the principal causes of death worldwide. It is therefore of high importance to improve our understanding of their mechanisms of action and their impact on health. To help people suffering from these diseases, tissue engineering is emerging as a promising technique for developing regenerated constructs to replace diseased tissues and organs. However, apart from being biologically compatible, the developed construct also needs to have mechanical properties like the one of native tissues. It is therefore necessary to perform mechanical characterization on the tissue engineered construct to validate its suitability. When it comes to mechanical characterization, a lot of approaches are used by different research groups as there is absolutely no standard in this field. In this context, the objective of this thesis is to develop and validate non-conventional mechanical characterization protocols specific to soft tissues for vascular application. First, a testing protocol was developed to characterize disk-shaped collagen gel samples. Secondly, the same collagen gel, but in tubular geometry, were densified and also characterized. Finally, a mechanical testing protocol and device was developed in order to characterize very small caliber blood vessels, such as mouse aortas. This thesis also presents other techniques for mechanical characterization used for vascular tissue, as along with protocols developed in the process of external collaboration with different research groups.