Osteoarthritis (OA) ist eine chronische Erkrankung der Gelenke des menschlichen Körpers, insbesondere des Kniegelenkes. Sie ist durch entzündliche und degenerative Prozesse gekennzeichnet, die Patienten in ihrer Beweglichkeit stark einschränkt. In der komplexen Pathophysiologie kommt es unter anderem zu zellmorphologischen Veränderungen der knorpelbildenden Zellen, den Chondrozyten, und zu destruktiven Veränderungen der Knorpelmatrix. Bisherige therapeutische Ansätze bestehen in meist in einer rein symptomatischen Therapie durch Schmerzmittel sowie der operativen endoprothetischen Versorgung als Ultima Ratio. Eine kurative Therapie ist bisher nicht möglich. Einen Ansatz für eine kurative Therapie könnte eine Subpopulation der Zellen des Knorpelgewebes bieten. Chondrogene Progenitor Zellen (CPCs) stellen als Vorläuferzellen der Chondrozyten, gesteuert durch das prochondrogene Gen SOX9 und das proosteogene Gen RUNX2, einen möglichen regenerativen Ansatz in der Behandlung dar. Eine Rolle in diesem Prozess könnten die Wachstumsfaktoren TGF- β3 und EGF sowie das Matrixmolekül Biglycan darstellen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass diese Wachstumsfaktoren, deren Rezeptoren und das Matrixmolekül Biglycan im osteoarthrischen Knorpel eine Rolle spielen. Insbesondere konnte in vitro gezeigt werden, dass CPCs unter dem Einfluss dieser Moleküle zu einer vermehrten SOX9 und verminderten RUNX2-Expression angeregt werden. Unter der Hypothese, dass sich CPCs auf diese Art zu Chondrozyten differenzieren lassen und so den Knorpel wiederherstellen, könnten diese Moleküle einen möglichen Baustein einer zukünftigen Therapie der OA darstellen.

Dans le domaine de l'ingénierie du cartilage, les hydrogels à base d'alginate (Alg) et de cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont utilisés comme biomatériaux pouvant être utilisés pour combler des lésions cartilagineuses plus ou moins profondes. Cependant, pour reproduire l’organisation zonale du cartilage, des biomatériaux multiphasiques sont nécessaires. Afin de guider la différenciation des CSM dans les différentes strates du biomatériau, sans apports de facteurs de croissance, des composants naturels du cartilage (acide hyaluronique, HA) ou de la matrice osseuse (hydroxyapatite, Hap) peuvent être ajoutés à l’alginate. L’objectif de ce travail de thèse consiste à analyser l’impact de la composition de biomatériaux à base d’alginate enrichi soit en HA soit en Hap sur le comportement des CSM. La première partie de notre travail à consister à évaluer le comportement des CSM issues de la gelée de Wharton dans ces hydrogels. Nos résultats mettent en évidence que les hydrogels d’Alg/Hap possèdent non seulement de meilleures propriétés mécaniques que les hydrogels Alg/HA et favorisent la viabilité des CSM ainsi que leur différenciation par rapport aux CSM ensemencées dans un hydrogel d’Alg/HA. La méthode de stérilisation du biomatériau représente une étape incontournable, dont on doit impérativement évaluer les multiples effets, en particulier pour ce qui touche au comportement des cellules, mais aussi au maintien de l’intégrité des propriétés physicochimiques de l'hydrogel. Ainsi, dans une seconde partie du travail, nous avons montré que le traitement de stérilisation par autoclave induisait un effet négatif sur les caractéristiques initiales de l'hydrogel à base d'alginate. Il ressort également de cette investigation sur les modes de stérilisation, que la stérilisation des hydrogels avec des UV est plus efficace et permet de préserver au mieux les propriétés spécifiques de l'hydrogel, notamment de l’Alg/HA. Enfin, dans une troisième partie de notre travail, nous avons évalué l’évolution des propriétés mécaniques au cours de la différenciation et l’impact de celles-ci sur la différenciation des CSM ainsi que sur leurs propriétés immunomodulatrices. À partir de ces résultats, nous avons montré que les caractéristiques physico-chimiques des hydrogels d’Alg/ha et Alg/hap influençaient non seulement le potentiel de différenciation des CSM-GW mais également la sécrétion des facteurs solubles impliqués dans l’immunomodulation. Ces propriétés physico-chimiques étant influencées dès le procédé de stérilisation, il est alors conseillé de les prendre en compte dans toutes les étapes de l’ingénierie tissulaire / In the field of cartilage engineering, alginate (Alg)-based hydrogels and mesenchymal stem cells (MSC) are widely used as raw biomaterials and stem cells which can be used to fill cartilage lesions of varying depth. However, to reproduce the zonal organization of articular cartilage, a graft multilayer is necessary. In order to guide the differentiation of MSCs in different strata of the biomaterials, without input of growth factors, natural cartilage components (hyaluronic acid, HA) or bone matrix (hydroxyapatite, Hap) can be added into the alginate. The aim of this work is to analyze the impact of the composition of alginate enriched either in HA or in Hap on the behavior of MSCs. The first part of our work is to evaluate the behavior of WJ-MSCs into these hydrogels. Our results have shown that Alg/ Hap hydrogels not only possess better mechanical properties than Alg/HA hydrogels, but also promote the viability of MSCs and their differentiation from MSC seeded into the Alg/HA hydrogel. The sterilization method of biomaterial is an essential step, the multiple effects of which must be evaluated, in particular as regards the behavior of the cells, but also to maintain the integrity of the physicochemical properties of hydrogel. Thus, in a second part of this work, we showed that the autoclave sterilization treatment induced a negative effect on the initial characteristics of alginate hydrogel. It is also apparent from this investigation of the sterilization modes that the sterilization of hydrogels with UV is more efficient and makes it possible to preserve the specific properties of the hydrogel as best as possible, in particular Alg/HA. Finally, in a third part of our work, we also evaluated the evolution of the mechanical properties during the differentiation and the impact of these on the differentiation of MSCs and their immunomodulatory properties. From these results, we have shown that the physico-chemical characteristics of Alg / ha and Alg/hap hydrogels influence not only the differentiation potential of WJ-MSC but also the secretion of soluble factors involved in immunomodulation. Since these physicochemical properties are influenced by the sterilization process, it is advisable to take them into account in all stages of tissue engineering

Mucopolysaccharidoses are a group of diseases that belong to lysosomal storage disorders. A common sign of these monogenic multisystem diseases is a gene mutation leading to a deficiency of the lysosomal enzyme participating in glycosaminoglycan degradation. It results to their accumulation in the tissues and organs, where they cause a progressive damage. There is no efficient treatment available for most mucopolysaccharidoses. Moreover, the research is complicated because of the low prevalence and type of affected tissues. Animal models of these human diseases are used for an evaluation of newly developed therapeutic approaches. However, they also have many limitations due to the different pathogenesis and catabolic pathways of the accumulated substrates between humans and animals. Therefore, animal models are replaced by human cell models. In this thesis, the development of four mucopolysaccharidoses human cell models is reported (MPS IIID, MPS IVA, MPS IVB, MPS VI). Corresponding genes (GNS, GALNS, GLB1, ARSB) were inactivated using CRISPR/Cas9 technology, where plasmids containing specific inserts are delivered to the target human induced pluripotent stem cells (iPSC), using electroporation. Isolated clones, which represent iPSC disease models, were characterized by Sanger sequencing, enzyme...

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