Aujourd'hui, la transplantation est le seul traitement efficace proposé aux patients souffrant d'une insuffisance hépatique aiguë ou fulminante. La pénurie actuelle de greffons se traduit par un taux de mortalité élevé chez les patients en attente urgente d'un organe. La nécessité de disposer d'un système de suppléance hépatique transitoire apparaît donc primordiale. Un organe bioartificiel exploitant les performances potentielles de cellules (hépatocytes dans le cas d'un foie bioartificiel) permettrait de suppléer le large éventail de ses fonctions métaboliques. Notre équipe propose le concept d'un bioréacteur à lit fluidisé contenant des hépatocytes, issus de la lignée cellulaire humaine C3a, immobilisés dans des billes d'alginate. Dans ce travail l'objectif a été d'analyser le fonctionnement du système de suppléance hépatique extracorporel par la mise en place d'un modèle in vitro se rapprochant au mieux de la situation in vivo. La présence de cellules au sein des billes d'alginate n'a pas d'influence sur le comportement global du lit fluidisé alors que l'emploi de plasma, de masse volumique proche des billes, peut engendrer une instabilité. Ensuite, l'organisation, la viabilité et les fonctionnalités (synthèse d'albumine, production d'urée et capacité d'élimination de l'ammoniac) des hépatocytes à l'intérieur des billes d'alginate ont été étudiés en conditions statiques et dynamiques. Dans le bioréacteur, les hépatocytes gardent leurs pleines potentialités. Pour l'urée, l'encapsulation semble améliorer le métabolisme. Il apparaît que la sortie de l'albumine des billes est améliorée par la fluidisation. Enfin, nous avons montré que les contraintes dans le bioréacteur ne provoque qu'une faible altération des propriétés mécaniques des billes après 6 heures d'utilisation. Au vu des fonctions métaboliques assumées par les hépatocytes C3a encapsulés dans des billes d'alginate, l'emploi de ce dispositif en vue d'une suppléance hépatique pourra être envisagé.

Les systèmes bioartificiels de suppléance hépatique doivent permettre au patient d'attendre, soit une greffe, soit la régénération de l'organe, une fois les agents toxiques éliminés. Ces dispositifs reposent sur l'utilisation de cellules fonctionnelles dans un environnement adapté et placées dans un circuit extracorporel.<br />Dans ce travail, l'objectif a été de caractériser différentes géométries de foie bioartificiel en comparant les fonctionnalités de mêmes cellules (C3A):<br />1) lit fluidisé classique (la référence) avec des billes d'alginate de 1000 µm de diamètre<br />2) nouveau type de fluidisation avec des billes de diamètre plus faible (600 µm)<br />3) dispositifs à fibres creuses utilisés classiquement par des équipes concurrentes<br />4) système Air Lift doté d'un apport d'air permettant la circulation du fluide<br />Dans chaque système, les écoulements et les transferts de matière des nutriments et des métabolites ont été caractérisés en absence et en présence de cellules de façon expérimentale et à l'aide de modèles mathématiques.<br />Dans les cas 1 et 2, il s'est avéré que les transferts de masse étaient quasiment identiques pour les diamètres de billes 600 et 1000 µm. La viabilité et les fonctionnalités des cellules ont été étudiées sur 48h de culture montrant des résultats très satisfaisants et prouvant ainsi l'innocuité du dispositif. Dans le cas 3, différents types de fibres creuses ont été caractérisées, permettant de déduire que la membrane de porosité intermédiaire est la plus prometteuse en vue de l'application clinique. Dans le cas 4, le système Air Lift a pour avantage d'avoir un coefficient de transfert de masse plus important que dans le cas du lit fluidisé, en absence de cellules

La transplantation d’îlots pancréatiques est considérée comme une thérapie prometteuse quant au traitement du diabète de type 1. En revanche, l’utilisation de traitements immuno-suppresseurs ainsi que le manque de donneur sont un frein à l’expansion de cette thérapie à plus de patients diabétiques. Pour résoudre ces deux problèmes, la stratégie développée durant ces vingt dernières années est le pancréas bioartificiel. Il consiste en une immuno-isolation de la greffe dans une enveloppe artificielle, protégeant non seulement la greffe du système immunitaire, mais aussi le receveur de la greffe. Les îlots ou les cellules productrices d’insuline transplantée(e)s ne sont pas en contact avec le système immunitaire et aucune immunosuppression n’est nécessaire. L’objectif de ce travail était de déterminer les marqueurs de survie et de mort des îlots dans des conditions mimant celles du MAILPAN®, un pancréas bioartificiel développé par Defymed et d’étudier différentes molécules qui pourraient augmenter la survie des îlots. Nous avons démontré que cet environnement bioartificiel engendrait un confinement et de l’hypoxie créant un stress cellulaire et donc une perte précoce des îlots. Nous avons identifié plusieurs cibles pour améliorer la viabilité et la fonction comme par exemple les transporteurs d’oxygène ou des molécules anti-inflammatoires. Plus le nombre d’îlots dans le MAILPAN® était élevé, plus les effets délétères sur la survie des îlots étaient importants. En conséquence, nous avons testé différentes molécules impliquées dans les voies de l’hypoxie et de l’inflammation pour augmenter la survie et restaurer la fonction des îlots pancréatiques dans un environnement confiné et hypoxique (600IEQ/cm2). L’ajout d’HEMOXcell®, un nouveau transporteur d’oxygène et du peptide tat-CREB ont montré une restauration de la fonction des îlots ainsi qu’une diminution de l’hypoxie et de l’inflammation après 24h de culture. Ainsi ce travail a permis l’identification de nouveaux candidats pour l’élaboration d’un milieu spécialisé pour l’encapsulation de cellules. / Islet transplantation is considered as promising therapy for brittle type 1 diabetes. However, the use of immunosuppressive regimen and the lack of donor prevent the expansion of the therapy to other diabetic patients. In order to address these two issues, the strategy developed for the two last decades is the bioartificial pancreas. It consists in the immune-isolation of the graft in an artificial envelop, protecting at the same time the graft, from the immune-system, and the host, from the graft. In principle, the transplanted islets or surrogate insulin secreting cells are not in contact with the immune system and no immunosuppressive drugs are needed. The objective of this work was to identify the markers of islet death/survival mimicking MAILPAN® conditions, a bioartificial pancreas developed by Defymed and study different molecules which can improve islet survival.We demonstrated that bioartificial environment induced confinement and hypoxia which triggers cellular distress causing early islet loss. We identified several targets to improve viability and function such as oxygen carriers or anti-inflammatory drugs. The highest the number of islets in the MAILPAN® was, the most deleterious effects in islet survival and functionality were observed. As a consequence, we tested different molecules implicated in hypoxia and inflammation pathway to improve islet survival and restore islet functionality in a hypoxic and confined environment (600IEQ/cm²). The addition of HEMOXCell®, a novel oxygen carrier, and tat-CREB peptide have been shown to restore islets functionality and decrease hypoxia and inflammation levels after 24 hours in culture. Thus, these data provide new inputs for the design of a culture medium dedicated for cell encapsulation.

La nécessité de nouveaux modes de suppléance hépatique se fait clairement ressentir pour maintenir en vie les patients en attente d’une greffe. Des traitements, basés sur l’utilisation de cellules cultivées dans un environnement adéquat, pourraient même permettre le rétablissement de certains patients en insuffisance hépatique sévère et ainsi éviter la greffe et les traitements immunosuppresseurs associés. Une suppléance hépatique efficace pourrait aussi servir au rétablissement des patients récemment greffés ou ayant subi une hépatectomie. L’objectif de cette thèse a été de développer, créer et valider un nouveau foie bioartificiel avec une prise en compte des contraintes réglementaires des médicaments combinés de thérapie innovante. Ce BAL doit pouvoir inclure des bioréacteurs à lit fluidisé perfusés par du plasma et contenant des sphéroïdes d’hépatocytes encapsulés. Des microparticules de verre, ajoutés aux billes d’alginate pour les alourdir, permettent d’obtenir une fluidisation optimale dans du plasma pathologique sans que des effets délétères ne soient observables ni pour les cellules ni pour les propriétés mécaniques des billes. Une méthode de culture cellulaire utilisant un revêtement anti-adhérent sur des boites de Petri en verre permet de produire un nombre important de sphéroïdes viables in vitro. Ces sphéroïdes encapsulés peuvent être maintenus vivants et métaboliquement actifs dans un bioréacteur à lit fluidisé pendant au minimum 4 jours.Pour assurer l’efficacité du BAL et la sécurité des patients, une circulation extracorporelle complexe a été mise au point pour être compatible avec une machine d’épuration extracorporelle commerciale, la Prismaflex® de la société Gambro, déjà utilisée en soins intensifs. Une étude préclinique sur un modèle ovin a montré que le traitement était bien toléré en ce qui concerne les aspects hémodynamiques. La prochaine étape concerne la mise en place d’une étude dans un modèle porcin d’insuffisance hépatique, avant de pouvoir procéder aux premiers essais cliniques. / The need for new liver support devices is clearly felt to allow keeping alive patients waiting for a transplant. Treatments, based on the use of cells cultured in an adequate environment, may even allow the recovery of some patients suffering from acute liver failure and avoid graft and associated immunosuppressive therapies. A hepatic substitution could also be used to reestablish patients recently transplanted or who had underwent an hepatectomy.. The objective of the thesis was to design, create and validate of a new bioartificial liver with consideration for the regulatory requirements of the Advanced Therapies Medical Product (ATMP). This device has to include fluidized bed bioreactors perfused with plasma and hosting alginate-encapsulated hepatocytes spheroids. Microparticles of glass have been added to weight down alginate beads in order to have an optimal fluidization in pathological plasma without negative effects neither on cells metabolism nor on mechanical properties of the beads. A cellular culture method using non adhesive coating in Petri dish led to the production of a large amount of viable spheroids in vitro. These encapsulated spheroids can be kept alive and metabolically active in a fluidized bed bioreactor during a minimum of four days. To ensure the efficacy of the BAL and the safety of patients, a complex extracorporeal circulation was designed to be compatible with a commercial medical device, the Prismaflex® monitor of the company Gambro, already used in intensive care units. A preclinical study on sheeps has shown that the treatment was well tolerated in terms of hemodynamics considerations. The next step is the establishment of a study in a porcine model of liver failure, before we can proceed to the first clinical trial.