La demande de fibres de sphaignes, particulièrement dans le domaine de l'horticulture, connait une croissance importante. En culture, les espèces ciblées, soit celles de la section Sphagnum, s'établissent difficilement sur tourbe nue lorsque les conditions d'humidité sont suboptimales. Un des moyens envisagés afin d'accroître leur productivité est de prendre avantage de l'établissement rapide des sphaignes de la section Cuspidata sur tourbe nue. Nous avons observé, lors de conditions de sécheresse prolongées, que la vitesse d'établissement des sphaignes de la section Sphagnum introduites avec S. fallax (section Cuspidata) pouvait être 2 fois plus élevée qu'en l'absence de cette dernière. Une autre hypothèse testée dans cette étude est que certaines plantes vasculaires favoriseraient entre 20 et 75 % la croissance verticale des sphaignes. Nos résultats préliminaires montrent qu'après une saison de croissance, une telle association ne semble pas favoriser la survie des fragments de sphaignes lorsque les conditions d'introduction sont déjà très humides.

Ce projet de recherche vise à proposer aux producteurs en serre un nouveau type de substrat organique respectueux de l'environnement et plus économique que la laine de roche. Plus spécifiquement, il consiste dans un premier temps à évaluer la phytotoxicité de plusieurs substrats organiques composés de différentes essences forestières puis de valider à l'échelle commerciale la performance agronomique de deux de ces substrats organiques à base de bran de scie (Picea glauca). L'effet de trois milieux de culture (laine de roche, bran de scie et bran de scie amendé de fibre de bois) sur la croissance, le rendement et la qualité de la tomate de serre a été évalué lors de deux saisons de culture. Les résultats n'ont démontré aucune phytotoxicité des essences forestières étudiées chez la tomate alors que pour le concombre et le poivron, seuls Picea glauca, Picea mariana et Abies balsamea ne présentent aucune phytotoxicité. L'utilisation du bran de scie comme milieu de culture organique pour la tomate de serre est avantageuse d'un point de vue économique puisque nous avons observé un taux de croissance similaire et une productivité équivalente aux plantes cultivées en laine de roche.

Le traitement conventionnel pour les brûlures sévères est l'autogreffe. Il s'agit toutefois d'une méthode comportant des limites, notamment dans le cas des patients ayant souffert de brûlures profondes sur une grande superficie de leur corps. Pour pallier le manque de sites donneurs, il est possible de faire appel au génie tissulaire afin de produire des peaux reconstruites bilamellaires (PRB) qui peuvent remplacer les autogreffes. Le système de culture présentement utilisé pour la production des PRB utilise une couche nourricière humaine (CNH) lors de la culture des kératinocytes. Les milieux de culture actuellement utilisés pour la culture des cellules destinées à la production des PRB, soit les kératinocytes et les fibroblastes, contiennent du sérum bovin. Dans un but d'offrir des traitements de très haute qualité et le plus sécuritaire possible, il serait avantageux de remplacer ou de cesser l'utilisation de la CNH et du sérum puisque ceux-ci peuvent présenter des risques potentiels de transmission de pathogènes et de réactions immunitaires à cause de leur nature allogénique ou xénogénique. L'objectif de ce projet de maîtrise est donc de développer un système de culture complètement défini, en plus d'être sans éléments allogéniques ni xénogéniques, et qui permettrait la conservation des cellules souches épithéliales et la production de substituts cutanés de qualité. Il a été possible de produire une protéine, soit la protéine Sp1, qui pourra être utilisée comme additif dans le milieu de culture afin d'éventuellement remplacer la CNH lors de la culture des kératinocytes. Par ailleurs, il a été possible, à l'aide d'un milieu sans sérum pour les kératinocytes développé par notre équipe et d'un milieu sans sérum pour les fibroblastes disponible commercialement, de produire des PRB sans sérum. Celles-ci ont été soumises à des analyses in vitro et in vivo et présentent des résultats prometteurs quant à la conservation des cellules souches épithéliales et à la qualité des PRB produites. / The conventional method to treat severe burn injuries is autografts. However, it is a method with limitations, especially in the case of patients who have suffered deep burns over a large proportion of their body. To overcome the lack of donor sites, it is possible to use tissue engineering to produce tissue-engineered skin substitutes (TES) that can replace autografts. The culture system currently used for the production of TES uses a human feeder layer (HFL) for the culture of keratinocytes. The culture media currently used for the culture of cells intended for the production of TES, namely keratinocytes and fibroblasts, contain bovine serum. In order to offer treatments of a very high quality and as safe as possible, it would be advantageous to replace or discontinue the use of HFL and serum since these can present potential risks of transmission of pathogens and immune reactions because of their allogenic or xenogeneic nature. The objective of this master's project is therefore to develop a completely defined culture system, in addition to being free of allogenic and xenogeneic elements, and which would allow the conservation of epithelial stem cells and the production of skin substitutes of great quality. It was possible to produce a protein, the Sp1 protein, which could be used as an additive in the culture medium in order to eventually replace the HFL during the culture of keratinocytes. Furthermore, it was possible, using a serum-free medium for keratinocytes developed by our team and a serum-free medium for fibroblasts commercially available, to produce serum-free TESs. These have been subjected to in vitro and in vivo analyzes and show promising results pertaining the preservation of epithelial stem cells and the quality of the TESs produced.

L'intérêt croissant pour l'agriculture biologique, la valorisation des ressources, et la souveraineté et sécurité alimentaire a su faire valoir l'importance de l'agriculture durable, qui explore notamment le rôle du microbiome et des processus biologiques. Toutefois, des lacunes persistent dans la compréhension de la minéralisation de l'azote avec des engrais organiques en culture hors-sol. Ce projet visait à comprendre cette dynamique en examinant la minéralisation des engrais d'origine organique dans divers substrats de culture à base de tourbe (axe 1) et également dans des sols arctiques (axe 2). Dans l'axe 1, deux volets d'étude ont été menés : des essais *in vitro* mesurant l'activité microbienne et les taux de minéralisation de l'azote pour cinq substrats de culture, et des essais *in vivo* évaluant la performance agronomique de trois substrats et de trois types de fertilisation organique sous régie biologique. Nos résultats ont montré que la plupart des fertilisants organiques ont connu un pic d'azote minéralisé au quatorzième jour d'incubation, sans différences significatives entre les substrats de culture tourbeux. Cependant, le substrat tourbeux âgé de 5 ans avait une activité microbienne inférieure aux substrats neufs. L'azote minéralisé a varié de 30 % à 80 % selon les sources fertilisantes. Dans les essais *in vivo*, la concentration en nitrate et l'activité microbienne ont diminué après la stérilisation à la vapeur des substrats de culture. La fertilisation d'origine animale a montré la plus faible concentration en azote dans le substrat de culture, tandis que le substrat avec fibres de bois et la fertilisation mixte (animale et végétale) ont favorisé la croissance des plantes. Dans l'axe 2 de recherche, l'évaluation de la performance d'un fertilisant liquide biologique dérivé de la biofermentation de frass a montré sa capacité à augmenter l'activité microbienne et à influencer la minéralisation de l'azote. D'autre part, des sols arctiques ont démontré leur potentiel en tant que substituts aux substrats de culture tourbeux importés pour la production de fruits et légumes au Nunavut. / In recent years, organic agriculture, resource revaluation, and food security have sparked growing interest among consumers in Quebec. Sustainable agriculture explores the role of the microbiome and biological processes. However, only limited research has been conducted on nitrogen mineralization using organic fertilizers in soilless cultivation or on the connection between culture medium components and nitrogen mineralization in organic horticulture. Therefore, this project aimed to better understand the mineralization dynamics of organic fertilizers in various peat-based growing media (GM) (Part 1), and in Arctic soils (Part 2). In part 1, two aspects were investigated: (i) *in vitro* trials measuring microbial activity and nitrogen mineralization rates of eleven organic fertilizers in three growing media, and (ii) *in vivo* trials to assess the agronomic performance of three GM amended with different organic fertilizations. Our results demonstrated that the nitrogen mineralization curve for the majority of the studied fertilizers exhibited a peak of mineralized nitrogen on the fourteenth day of incubation. No significant differences were observed among the growing media. The 5-year-old growing medium displayed lower microbial activity compared to the fresh growing media. Plant protein hydrolysates released a significant amount of NH4-N during the initial weeks. Overall, mineralized nitrogen ranged from 30% to 80% of the applied nitrogen, depending on the organic fertilizers. In the *in vivo* trial, nitrate concentration and microbial activity decreased after sterilization of the growing medium. The animal-derived fertilization had the lowest nitrogen concentration, while wood fiber and mixed fertilization promoted plant growth. In part 2 of the study, an organic liquid fertilizer (OLF derived from biofermentation of frass was evaluated on a peat substrate. The addition of OLF increased growing medium microbial activity and influenced nitrogen mineralization by reducing immobilization effects. On the other hand, Arctic soils showed promising results as substitutes for imported growing medium in fruit and vegetable production, while local fertilizing sources can be as effective as commercial fertilizers.

Le génie tissulaire est la discipline qui vise à reconstruire des tissus biologiques à partir de cellules humaines ou animales. Ces tissus, destinés à la recherche fondamentale ou appliquée, peuvent ensuite être développés pour la greffe clinique chez des patients. Ainsi, la production de substituts cutanés composés de plusieurs couches cellulaires permet d'obtenir un modèle d'étude de la peau, composé d'un épiderme et d'un derme, et des pathologies pouvant s'y rattacher. L'épidermolyse bulleuse dystrophique récessive (EBDR) est une maladie génétique rare causée par une mutation dans le gène COL7A1 responsable de la production du collagène VII, provoquant une jonction dermo-épidermique (JDE) non fonctionnelle et se manifestant par une diminution de la force d'adhérence entre le derme et l'épiderme. La production de peaux reconstruites par la méthode d'auto-assemblage (PR), combinée à la correction des gènes défectueux par thérapie génique, est prometteuse pour la greffe autologue chez les patients atteints d'EBDR. Cependant, il n'existe pas de méthodes standardisées permettant de quantifier ou de caractériser l'intégrité de la JDE sur les PR produites in vitro. L'objectif de ce mémoire de maîtrise était de développer une méthode permettant d'évaluer les propriétés fonctionnelles de la JDE du modèle de PR, par essais destructifs puis non-destructifs, pour en caractériser l'intégrité avant la greffe chez le patient. La première étape du projet fut de mettre au point une méthode adaptée à la mesure de la force d'adhérence entre le derme et l'épiderme du modèle de PR. Le succès des expérimentations liées à cette première étape a permis de valider l'utilisation d'un banc d'essai électrodynamique pour effectuer des essais de décollement entre deux substrats organiques. Il a été possible d'évaluer la différence de force d'adhérence dermoépidermique entre différentes conditions expérimentales, dont la condition pathologique d'EBDR. Par la suite, un montage de thermographie active dynamique a été développé pour évaluer l'intégrité de la JDE de façon non-destructive. Les résultats de cette seconde partie ont montré la validité de l'instrument sur des matériaux non organiques. Cependant, une optimisation reste à être appliquée pour discriminer une différence significative dans le temps de thermalisation des échantillons de PR. Somme toute, l'aboutissement de ce projet a mis à la disposition du génie tissulaire de nouvelles techniques d'évaluation de l'intégrité de la JDE pour les PR destinées à l'application clinique. / Tissue engineering is the discipline that aims to reconstruct biological tissues and organs from human or animal cells. These tissues, intended for basic or applied research, can then be improved for clinical transplantation in patients. Thus, the production of skin substitutes composed of several cell layers makes it possible to obtain a study model of the skin, composed of an epidermis and a dermis, and the pathologies that may be associated with it. Recessive dystrophic epidermolysis bullosa (RDEB) is a rare genetic disorder caused by mutations in the COL7A1 gene, which encodes type VII collagen, which forms the anchoring fibrils that ensure dermal-epidermal cohesion in the skin. The disease is manifested by an incomplete dermal-epidermal junction (DEJ) and decreased adhesion strength between the dermis and the epidermis. The fabrication of tissue-engineered reconstructed skin (TES), combined with the correction of defective genes through gene therapy, makes autologous transplantation a promising treatment for patients with EBDR. However, there are no proven methods to quantify or characterize the integrity of DEJ. The objective of the master's thesis was to develop a method capable of evaluating the functional properties of the DEJ of the model of skin reconstructed by the self-assembly method, by destructive then non-destructive testing, in order to check its quality before grafting on the patient. The first step of the project was to develop a method suitable for measuring the strength of adhesion between the dermal and the epidermal layers of the TES model. The success of the experiments linked to this first step made it possible to validate the use of an electrodynamic bench test to perform peel tests between two organic substrates. It was possible to assess the difference in dermal-epidermal adhesion strength between different conditions, including the pathological condition of RDEB. Subsequently, a dynamic active thermography setup was developed to assess the integrity of the DEJ in a non-destructive manner. The results from this second part showed the validity of the instrument on non-organic materials. However, an optimization remains to be applied to discriminate a significant difference in the thermalization time of the TES samples. In conclusion, the development of these new methods has made available new techniques for assessing the integrity of DEJ of TES intended for clinical applications.

En raison de la fonte pluriannuelle des glaces dans l'Océan Arctique et de la fonte de la calotte glaciaire du Groenland, les communautés microbiennes sont exposées à de plus grandes fluctuations de salinité au cours de la saison de croissance et dans de vastes zones géographiques. Les Eaux du Nord très productives ont subi des changements marqués dans les tendances saisonnières de la chlorophylle de surface observées grâce à la télédétection et les données in situ, mais l'interprétation de ces données en termes d'espèces reste difficile puisque la phénologie de la communauté et la variabilité spatio-temporelle sont encore inconnues. Il est essentiel de bien comprendre la dynamique des assemblages de phytoplancton et d'autres espèces microbiennes pour comprendre les réponses des écosystèmes face au changement global. De plus, les grandes fluctuations de salinité ou stress salin et le choc osmotique sont parmi les principaux facteurs environnementaux limitant la croissance et la productivité des plantes et des microorganismes. Pour combler ce manque de connaissance, nous avons premièrement appliqué le séquençage d'amplicon à haut débit pour étudier les communautés microbiennes d'eucaryotes arctiques d'été et d'automne des deux côtés du nord de la baie de Baffin sur plus de 12 ans (2005 à 2018). Ces communautés sont soumises à des régimes de stratification et de courants opposés. Deuxièmement, nous avons étudié la réponse transcriptionnelle d'une microalgue associée à la glace exposée à des salinités progressivement décroissantes afin de mieux comprendre la capacité génétique de cette algue à tolérer les fluctuations de salinité, ainsi que d'identifier les gènes de stress clés. Enfin, nous avons combiné une approche métagénomique comparative avec le séquençage des amplicons d'ARNr 18S pour étudier les capacités fonctionnelles, la diversité et la dynamique des microorganismes dans la colonne d'eau supérieure du nord de la baie de Baffin pendant deux étés consécutifs (2017-2018). Nous avons constaté que la saisonnalité était un facteur majeur déterminant les assemblages de communauté des eaux de surface estivales avec le complexe d'espèces Chaetoceros socialis-gelidus et Micromonas polaris dominant le phytoplancton, et les Alpha et Gammaproteobactéries dominant la communauté bactérienne. En automne, les dinoflagellés d'eau libre non-cultivés et non-décrits étaient favorisés. Nos résultats suggèrent que la production automnale de l'Arctique, due à des conditions d'eau libre plus longue, pourrait ne pas refléter une floraison printanière dominée par les diatomées, comme le prévoient certains scénarios des saisons sans glace plus longues. Par ailleurs, une réponse progressive et une adaptation spécifique aux conditions arctiques froides et salines ont été observées avec l'expression différentielle de plusieurs protéines antigel, comme la protéine de liaison à la glace et une acyl-estérase toutes deux impliquées dans l'adaptation au froid. Nos résultats suggèrent que la protéine de liaison à la glace peut également jouer un rôle crucial dans l'adaptation à un changement rapide de salinité et à la survie cellulaire. Par ailleurs, grâce à l'annotation fonctionnelle, nous avons examiné les gènes impliqués dans la protection des photosystèmes, la régulation osmotique et les protéines antigel, cruciales pour l'acclimatation à un environnement froid. L'utilisation de la génomique comparative permettrait de révéler les évolutions des familles de gènes conférant l'adaptation des microorganismes aux transitions entre eau salée et eau douce. Ce travail de thèse aura des implications non seulement pour l'Arctique où les communautés de surface sont soumises à de grandes fluctuations de salinité, de température et de lumière, mais il contribuera également aux connaissances fondamentales dans les domaines de la production de biocarburants et de la prévision des efflorescences algales potentiellement nuisibles. / As the Arctic Ocean freshens due to multiyear ice and Greenland Ice Sheet melt, the microbial communities are being exposed to greater salinity fluctuations over the growth season and across wide geographic areas. Although remote sensing and limited in situ data have shown that the highly productive North Water has undergone marked changes in the seasonal patterns of surface chlorophyll. Interpreting this data in terms assemblages of species is difficult since the community phenology and spatiotemporal variability is unknown. Understanding the dynamics of phytoplankton and other microbial species assemblages is critical to understand ecosystem responses to global change. Moreover, greater salinity fluctuations or salt stress and osmotic shock are among the main environmental factors limiting the growth and productivity of plants and microorganisms. To address this knowledge gap, firstly, high throughput amplicon sequencing was applied to investigate summer-fall Arctic microbial communities from two sides of Northern Baffin Bay over 12 years (2005 to 2018), that are subjected to very different stratification and major current regimes. Secondly, we investigated the transcriptional response of an ice-associated microalga exposed to progressively decreasing salinities to gain a deeper understanding of the genetic capacity of this alga to tolerate salinity fluctuations, as well as to identify key stress genes. And lastly, we combined comparative metagenomic approach with 18S rRNA amplicon sequencing to investigate the functional capacities, diversity and dynamics of the microorganisms in upper water column of the Northern Baffin Bay during two consecutive summers (2017-2018). We found that seasonality was a major factor determining communities with summer species complex Chaetoceros socialis-gelidus and Micromonaspolaris dominating phytoplankton and Alpha and Gammaproteobacteria dominating bacterial community. In autumn uncultured undescribed open water dinoflagellates were favored. Our results suggest that Arctic autumn production due to longer open water conditions may not mirror a diatom dominated spring bloom as projected in some scenarios of longer ice-free seasons. Furthermore, a gradual response and specific adaptation to cold saline Arctic conditions were seen with differential expression of several antifreeze proteins, an ice-binding protein and acyl-esterase involved in cold adaptation. Our results suggest that ice-binding protein may also have a crucial role for the adaptation of a rapid change of salinity, by providing survival advantage to the cells. Moreover, through functional annotation, we examined potential genes involved in photosystem protection, osmotic regulation and antifreeze proteins, to be crucial for acclimatization to cold environment. The use of comparative genomics would reveal evolutions of gene families conferring adaptation of microorganisms to transitions between salt and fresh water. The combination of these several methodologies provides invaluable insights into the composition, the metabolic repertoire and putative functional profile of a microbial assemblage. This thesis work will have implications not only for the Arctic where surface communities are subject to large fluctuations in salinity and light but will also contribute to fundamental knowledge in the fields of biofuel production and harmful algal bloom prediction.

Les brûlures profondes et étendues sont, de loin, le traumatisme le plus grave auquel un être humain peut faire face. La rapidité de couverture de ces plaies avec des pansements, surtout de nature biologique (p. ex. peau de cadavre), d’abord temporaire, et ensuite impérativement permanente, aura une influence déterminante sur le taux de survie des patients. À date, de nombreuses technologies ont été utilisées telles que les greffes pleines épaisseurs de peau provenant d’un site donneur sain, la culture d’épiderme autologue (CEA) et les substituts synthétiques. Cependant, ces technologies ont pour principale limite, respectivement, leur biodisponibilité, leur manque de propriété mécanique et leur manque d’activité biologique. Ces éléments ont ainsi mené au développement de substituts biologiquement actifs parmi lesquels les plus prometteurs possèderont une base autologue, l’épiderme, reposant sur une matrice, allogénique, xénogénique ou biosynthétique. Toutefois, la majorité de ces substituts ne pourra être utilisée que temporairement à cause de leur potentiel immunogénique résultant de la présence d’antigènes étrangers. Les technologies de production de substituts cutanés peuvent être divisées en deux approches distinctes, soit de type « Top-down », soit de type « Bottom-up ». La technologie la plus courante ainsi que la plus utilisée aujourd’hui est celle de type « Top-down ». Les substituts produits par cette approche se basent sur des matrices artificielles structurées élaborées via deux classes majeures de biomatériaux incluant (1) les biopolymères du sang comme la fibrine, et du tissu mou comme le collagène et la fibronectine ; (2) les polysaccharides, comme l’alginate, le chitosan et les glycosaminoglycanes, incluant le hyaluronan. L’approche de type « Bottom-up », quant à elle, se base sur la capacité des cellules à synthétiser et assembler leur propre matrice extracellulaire. Dans ce domaine, le laboratoire d’organogénèse expérimentale (LOEX) se positionne en tant que pionnier dans une méthode de production de substitut dite « d’auto-assemblage ». Cette méthode repose sur la capacité de l’acide ascorbique à promouvoir l’assemblage matriciel sécrété par les fibroblastes dermiques. Toutefois, les substituts obtenus par cette méthode présenteront (1) un temps de production long, car l’assemblage matriciel représentera à lui seul les 2/3 de la technique d’un total d’environ 8 à 9 semaines, (2) un manque de photoprotection de par l’absence de pigmentation, c’est à-dire sans ajout de cellules pigmentogènes (mélanocytes), et (3) peu ou pas de réseau de fibres élastiques, essentiel aux propriétés mécaniques cutanées. Afin de répondre aux problématiques identifiées, nous avons entrepris de concevoir plus rapidement des substituts cutanés pigmentés, intégrant un réseau de fibres élastiques selon la méthode d’autoassemblage. Pour ce faire, nous avons investigué la possibilité d’utiliser un derme reconstruit par « auto-assemblage » de type allogénique combiné à un épiderme syngénique. Cette modification au protocole qui implique initialement une reconstruction dermique et épidermique autologue à 100 % permettra d’éliminer l’étape de production dermique et ainsi réduire le temps global de production des substituts cutanés bilamellaires. L’esthétisme et la fonctionnalité des substituts ont été évalués par l’ajout de différentes densités de mélanocytes lors de la reconstruction de l’épiderme. Enfin, parallèlement à cette étude, nous avons investigué sur la faible présence du réseau de fibres élastiques dans nos substituts cutanés afin de proposer une technique de production modifiée permettant d’induire l’élastogenèse, le processus de formation de ce réseau. Plus spécifiquement, de l’aldostérone, une hormone minéralocorticoïde, et son inhibiteur compétitif, la spironolactone, ont été ajoutés dans le milieu de culture cellulaire en tout temps lors de la production des substituts cutanés afin de stimuler la voie de l’ « insulin-like growth factor I » (IGF-I) et ainsi l’élastogenèse. En résumé, mon projet de doctorat a permis de mettre en évidence : (1) la survie des fibroblastes allogéniques dermiques pour au moins huit semaines après greffes sur un modèle murin immunocompétent ; (2) qu’un seuil minimal de 200 mélanocytes par mm2 à la reconstruction de l’épiderme avait la capacité d’induire une pigmentation homogène après greffe, ainsi qu’une photoprotection comparable à une densité de 1500 mélanocytes par mm2 ; (3) que l’ajout d’aldostérone et de spironolactone augmente le nombre de fibres élastiques dans nos substituts cutanés et améliore les propriétés mécaniques par la diminution de la rétraction et l’augmentation de l’élasticité. De plus, l’ajout de mélanocytes a aussi permis d’améliorer les propriétés mécaniques des peaux reconstruites par leur effet positif encore mal compris sur l’élastogenèse. / Vast deep burns injuries are, by far, the worst trauma that a human being can experience. The time necessary for the coverage of thermal wounds with bandages, especially of a biological nature (e.g. cadaveric skin), at first temporary, and then permanently, influences the survival rate of patients. Over the years, numerous technologies were used to cover the skin wounds. Among them, we note split- and full-thickness skin grafts from a spared donor site, as well as cultured epithelial autografts (CEAs) and synthetic substitutes. However, these technologies showed some issues as the bioavailability of donor tissue or mechanical properties or biological activities. Indeed, it is the cellular and the extracellular matrix component that have a direct impact on the wound healing and on the longterm graft survival rate. In this way, new biologically active skin substitutes were developed. The most promising reconstructed skins to date are composed of an autologous epidermis associated with an extracellular matrix either allogeneic or xenogeneic or biosynthetic. However, the majority of these substitutes could only be used as temporary because of their immune inflammatory risk resulting from the presence of allogeneic or xenogeneic cells. Tissue-engineered technologies can be split in two approaches, either "Top-Down" or "Bottom-up". The most current as well as the most represented technology today is the "Top-Down" approach. Substitutes produced by this approach are based on structured artificial matrices developed via the major classes of biomaterials including (1) blood’s biopolymers such as fibrin, and components of the soft tissue such as collagen or fibronectin and (2) polysaccharides, as alginates, chitosan and glycosaminoglycan, including the hyaluronan. Alternatively, the "bottom-up" approach is based on the fibroblast’s capacity to synthesize and assemble their own extracellular matrix. In this field, the Laboratory of Organogenesis Experimental (LOEX) is a pioneer in a method of production of skin substitute called the "self-assembly" method. This method is based on the capacity of ascorbic acid to promote the extracellular matrix assembly secreted by fibroblasts. However, the histology and mechanical properties of these tissue-engineered skin substitutes, which are similar to native skin, (1) are quite long to produce, essentially because of the extracellular matrix assembly which takes twothird of the time of the whole production (2) lack of photoprotection, since pigment-producing cells called melanocytes are not added in the standard production and (3) the elastic fiber network, essential to insure their mechanical properties, is rudimentary. To address the identified problems, we designed a faster way to produce pigmented skin substitutes, integrating an elastic fiber network by tissue engineering according to the “self-assembly” method. To do so, we investigated the possibility of using an allogeneic reconstructed dermis associated with a syngeneic epidermis. This new method would allow eliminating two-third of the production time of the dermal part initially requested in the “on demand” production that was initially 100 % autologous. Estheticism and its functionality were evaluated by the addition of various densities of melanocytes during the epidermis reconstruction. Finally, at the same time, we addressed the weak presence of the elastic fiber network in our reconstructed skin. Indeed, we modified our production method to stimulate the elastogenesis process. More specifically, aldosterone, a mineralocorticoid hormone, and its competitive inhibitor, spironolactone, were added in the culture media during the skin substitute production in order to stimulate the insulin-like growth factor I (IGF-I) pathway and so the elastogenesis process. To conclude, my PhD project allowed to highlight: (1) the immunological tolerance of the allogeneic dermis with a long-term survival of their cellular components over the eight-week period, investigated in an immunocompetent murine model ; (2) that a minimal threshold of 200 melanocytes per mm2 in the epidermis reconstruction had the capacity to lead a homogeneous pigmentation after the transplant, as well as a photoprotection comparable to a 1500 melanocytes per mm2 density ; (3) that the addition of aldosterone and spironolactone increased the number of elastic fibers in our skin substitutes and improved the mechanical properties by the decrease of the shrinkage and the increase of the elasticity. Furthermore, the addition of melanocyte also increased the mechanical properties of the skin substitute. This positive impact on elastogenesis by melanocytes is poorly understood.

Le psoriasis est une maladie cutanée grave pour laquelle il n’existe encore aucun traitement curatif. Des modèles de peau psoriasique in vitro sont alors nécessaires afin de tester de nouveaux traitements. Cette étude visait, en premier lieu, à optimiser la production de substituts cutanés psoriasiques par la méthode d’auto-assemblage, pour ensuite les utiliser afin d’évaluer l’efficacité d’une nouvelle molécule potentiellement antipsoriasique, la tBEU. Dans un premier temps, des substituts sains et psoriasiques ont été produits par la méthode d’auto-assemblage partiellement modifiée en utilisant des plaques 6 puits et 12 puits. Ces expériences ont permis de démontrer que les plaques 6 puits étaient plus efficaces pour la production de substituts reproductibles et représentatifs d’une peau psoriasique in vivo. Ensuite, ces substituts ont été traités avec la tBEU, démontrant que cette molécule diminue la prolifération des kératinocytes et améliore leur différenciation. Ainsi, la tBEU pourrait éventuellement être utilisée comme un traitement efficace du psoriasis. / Psoriasis is a serious cutaneous disease for which there is currently no cure. In vitro psoriatic skin models could become new tools to assess the potency of new drugs during the development of new therapies. First, this study aimed to optimize the production of psoriatic skin substitutes by the self-assembly method, and then use them to assess the effectiveness of a new potentially antipsoriatic molecule, tBEU. Initially, healthy and psoriatic substitutes have been produced by the self-assembly method partially modified, using 6-well and 12-well plates. These experiments demonstrated that the 6-well plates were more effective for the production of reproducible substitutes and representative of psoriatic skin in vivo than the 12-well plates. Then, these substitutes were treated with tBEU, showing that this molecule decreases significantly keratinocytes proliferation and improves their differentiation. Thus, tBEU may eventually be used as an effective topical treatment for psoriasis.

Le psoriasis se caractérise par la présence d’infiltrats leucocytaires inflammatoires au niveau du derme et de l’épiderme cutané humain, menant à des désordres cutanés considérables : hyperprolifération des cellules épidermiques basales, différenciation altérée des kératinocytes et sécrétion accrue de médiateurs pro-inflammatoires dans le microenvironnement local. Cette dysfonction immuno-épithéliale menant au développement de lésions blanchâtres, agit tel un cercle vicieux incontrôlable, stimulant réciproquement les kératinocytes et les cellules immunitaires. Dans cette optique, mes travaux de doctorat ont visé à : (1) générer un microenvironnement immunocompétent par l’intégration de cellules T pré-activées dans un modèle de peau saine, non-lésionnelle et lésionnelle, produit selon la méthode d’auto-assemblage afin (2) d’étudier le rôle de cette composante importante sur les caractéristiques-clés associées au psoriasis. De surcroit, nous avions pour autre objectif (3) d’analyser l’impact de macrophages dérivés de monocytes dans un modèle tridimensionnel de peau saine afin (4) de déterminer l’influence de ces cellules sur le remodelage matriciel et la différenciation épidermique à l’état d’équilibre pour, finalement, (5) analyser l’empreinte du microenvironnement sur leur polarisation in vitro. Nos données mettent en lumière le caractère déterminant de la composante immunitaire, lorsqu’associée aux cellules cutanées pathologiques, dans le développement des lésions psoriasiques, puisque la présence de cellules T, dans un modèle de peau saine, n’induit pas l’ensemble des caractéristiques histopathologiques associées à cette dermatose. D’autre part, ces modèles de peau immunocompétente répondent à un traitement de choix pour le psoriasis, le méthotrexate, qui inhibe la prolifération cellulaire et atténue l’inflammation. Ces nouveaux modèles organotypiques serviront d’outils précliniques performants pour le criblage d’actifs visant à traiter certaines pathologies d’origine auto-immune inflammatoire chronique, dans lesquelles le système immunitaire joue un rôle crucial, à l’exemple du psoriasis. Par ailleurs, l’intégration de macrophages dérivés de monocytes dans un modèle de peau normale, affecte l’état de différenciation des kératinocytes épidermiques tout en réduisant l’état inflammatoire basal. Ces macrophages induisent, en outre, un remodelage matriciel tissulaire important modifiant de ce fait le microenvironnement avoisinant. Finalement, ce nouveau modèle tridimensionnel nous a permis, d’une part, de mimer davantage la structure cutanée physiologique et, d’autre part, de mieux comprendre l’influence de ces cellules sur le phénotype cutané à l’état d’équilibre. Bien que d’autres études soient nécessaires avant l’utilisation de ces modèles en phase préclinique, ces travaux constituent une avancée majeure dans le développement de modèles produits par génie tissulaire, plus complexes et plus pertinents d’un point de vue physiologique. / Psoriasis is characterized by the presence of inflammatory leukocyte infiltrates in the human skin dermis and epidermis, leading to important skin disorders: hyperproliferation of basal epidermal cells, altered differentiation of keratinocytes, and increased secretion of proinflammatory mediators in the local microenvironment. This immuno-epithelial dysfunction leading to the development of whitish lesions acts as an uncontrollable vicious circle, stimulating the keratinocytes and the immune cells. With this in mind, my thesis work aimed to: (1) generate an immunocompetent microenvironment by integrating pre-activated T cells into a healthy, non-lesional and lesional skin model, produced using the self-assembly method (2) to study the role of this essential component on key features associated with psoriasis. In addition, our other objective was (3) to analyze the impact of monocyte-derived macrophages in a three-dimensional model of healthy skin (4) to determine the influence of these cells on tissue remodeling and epidermal differentiation at steady state, (5) in order to finally analyze the microenvironment effect on their in vitro polarization. Our data highlight the essential feature of the immune component, when associated with pathological skin cells, in the development of psoriatic lesions, since the presence of T cells, in a healthy skin model, does not induce all of the histopathological key features, associated with the dermatosis. On the other hand, these models of immunocompetent skin respond to a treatment of choice for psoriasis, methotrexate, which inhibits cell proliferation and reduces inflammation. These new organotypic models will serve as powerful preclinical tools for the screening of active agents to treat some chronic inflammatory pathologies of autoimmune origin, in which the immune system plays a crucial role, like psoriasis. Moreover, the integration of monocytederived macrophages into a normal skin model affects the differentiation state of epidermal keratinocytes while reducing the basal inflammatory state. These macrophages induce, in addition, a significant matrix remodeling thereby modifying the surrounding microenvironment. Finally, this new three-dimensional model allowed us, on the one hand, to further mimic the physiological cutaneous structure and, on the other hand, to better understand the influence of these cells on the skin phenotype at steady state. Although further studies are needed prior to the use of these preclinical models, this work represents a major breakthrough in the development of more complex tissue-engineered models that are physiologically relevant.

Les modèles de peau in vitro en trois dimensions sont des outils pour étudier des processus biologiques ou pathologiques. La majorité des modèles in vitro actuellement disponibles ne comporte pas de système immunitaire et de réseau vasculaire, tous deux présents dans la peau humaine. Nous avons développé un modèle de peau entièrement composé de cellules d'un même donneur (autologue) et contenant des cellules immunitaires et endothéliales. En nous basant sur le modèle d'auto-assemblage du LOEX, nous avons mis en culture durant quatre semaines des fibroblastes dermiques dans un milieu favorisant le dépôt de matrice extracellulaire. La résultante est un feuillet manipulable composé de cellules entourées de matrice. Un isolat dermique préalablement extrait du derme humain est ensemencé sur un premier feuillet de fibroblastes et les kératinocytes sur un second. L'isolat dermique contient l'ensemble des cellules présentes dans le derme du donneur. Les deux feuillets sont ensuite superposés et mis en culture pendant deux semaines à l'interface air-liquide pour stimuler la différenciation de l'épithélium. Une analyse histologique a mis en évidence un épithélium stratifié sur un derme composé de matrice et de cellules. Des immunomarquages ont également montré la présence de cellules immunitaires CD45+ viables et d'un réseau vasculaire CD31+ au niveau du derme. Une plaie a ensuite été créée au centre de ce modèle de peau et une analyse histologique a montré une migration des cellules épidermiques et dermiques dans la plaie. La création de ce modèle permettra d'avoir une meilleure compréhension de l'homéostasie de la peau et du phénomène de cicatrisation cutanée. / In vitro three-dimensional human skin models provide a tool to investigate biological or pathological processes and to test drug effect or toxicity. In vitro models usually lack an immune system and vasculature, both characteristics of the human skin. We developed a skin model composed of cells from the same donor (autologous) and containing immune cells and endothelial cells. Based on the self-assembly method developed at the LOEX, dermal fibroblasts were first cultured during four weeks in a medium stimulating the production of an extracellular matrix. The result of this culture is a fibroblast sheet used for the development of our model. A dermal fraction enzymatically extracted from a human dermis was seeded onto a first sheet while the keratinocytes were seeded on a second one. The dermal fraction contained all the dermal cells from a donor. The two sheets were then superimposed and raised at the air-liquid interface during two weeks to stimulate epidermis differentiation. Histological studies of the 3D skin model highlighted a stratified epidermis on a dermis composed of matrix and cells. Immunofluorescence staining showed viable CD45+ immune cells and a CD31+ capillary network in the dermis. A wound was then produced at the center of the model and histological studies highlighted the migration of the epidermal and dermal cells into the wound. The creation of this first autologous 3D model containing immune cells paves the way to increase knowledge about skin homeostasis and the role of immune cells in the wound healing process.