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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/69302 |
| Date | 22 June 2021 |
| Creators | Kawecki, Fabien |
| Contributors | Auger, François A., Fradette, Julie |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxv, 248 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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