Optimisation of microcarriers for mesenchymal stem cells amplification and study of osteogenic properties of new bactericidal biomaterials
Optimisation de microporteurs pour l'amplification de cellules souches mésenchymateuses et étude des propriétés ostéogéniques de nouveaux biomatériaux bactéricides
Résumé
Mesenchymal stem cells (MSC) are widely used in cell therapy and tissue engineering. Their interest is linked to their paracrine activity and their differentiation potential. MSC are rare cells that need to be amplified at large scale for clinical applications. Since MSC are adherent cells, they may be amplified in bioreactors with the help of microcarriers. In order to improve MSC production both qualitatively and quantitatively, it is necessary to adapt the different culture parameters. In collaboration with Carroucell industry, we studied the behavior of MSC from adipose tissue (ASC) along their culture on innovative silica disc microcarriers. In comparison with spherical commercial microcarriers, disc microcarriers increase culture homogeneity, decrease aggregation related cell death and improve cell harvesting step. In spinner flasks, interesting yields have been obtained and harvested cells kept an excellent viability, their specific markers expression as well as their differentiation ability. Therapeutic potential of MSC is linked to their paracrine activity. These last years, extracellular vesicles (EV) produced by MSC were thereby largely studied at preclinical step. As for the MSC themselves, EV production needs to be improved quantitatively for a clinical application. Along this thesis, the interest of a microcarriers based culture on EV production by ASC was assessed. In comparison with 2D culture, produced EV amount was almost twice higher. Samples are mainly composed of exosomes. Nevertheless, an optimization of both culture conditions and EV isolation will be required to ameliorate obtained yields as well as obtained samples.Associated with stem cells, biomaterials showed interesting therapeutic potential for the treatment of numerous pathologies. For bone repair, one of the main treatments failing cause is linked to bacterial infections. In order to limit antibiotic using, new biomaterial possessing both bactericidal and osteogenic properties shall be developed. In collaboration with Elena Ivanova’s team (RMIT, Melbourne, Australia), ASC behavior on nanostructures induced antibacterial titanium biomaterials was investigated. Those materials permit ASC adhesion while modifying cell morphology and focal adhesion formation. Moreover, nanostructured scaffolds permit cell proliferation, are not toxic and ASC keep their multipotency. Finally, in the case of prolonged cultures, these biomaterials showed osteoinducive properties. That is why these nanostructured titanium biomaterials are promising for their future using as implants for bone regeneration.
Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont largement utilisées en thérapie cellulaire et en ingénierie tissulaire. Leur intérêt est lié à leur activité paracrine ainsi qu'à leur capacité de différenciation. Les CSM sont des cellules rares qui ont besoin d’être amplifiées à grande échelle pour une utilisation clinique. Comme ce sont des cellules adhérentes, elles peuvent être amplifiées en bioréacteurs via l'utilisation de microporteurs. Afin d’améliorer qualitativement et quantitativement la production de CSM, il est nécessaire d’adapter les différents paramètres de culture. En collaboration avec la société Carroucell, nous avons étudié le comportement de CSM issues de tissu adipeux (ASC) lors de leur culture sur des microporteurs de silice originaux, ayant une forme discoïdale. En comparaison avec des microporteurs sphériques commerciaux, les microporteurs disques permettent une culture plus homogène, limitent la mort cellulaire liée à l’agrégation et favorisent l’étape de décollement. En spinner flasks, des rendements intéressants ont été obtenus et les cellules récupérées ont conservé une très bonne viabilité, l’expression de leur marqueurs spécifiques ainsi que leur capacité de différenciation. Le potentiel thérapeutique des CSM est lié à leur activité paracrine. Ces dernières années, les vésicules extracellulaires (EV) issues de CSM ont donc été largement étudiées au niveau préclinique. À l’image des CSM, la production d’EV nécessite d’être améliorée au niveau quantitatif pour une utilisation clinique. Au cours de cette thèse, l’intérêt d’une culture sur microporteurs dans la production d’EV par les ASC a été étudié. En comparaison avec une culture 2D, la quantité d’EV produite est près de deux fois supérieure. Les préparations sont composées majoritairement d’exosomes. Néanmoins, une optimisation des conditions de culture et d’isolement des EV sera nécessaire à l’amélioration des rendements et de la pureté des échantillons obtenus.Associés au cellules souches, les biomatériaux ont démontré un potentiel thérapeutique intéressant pour le traitement de nombreuses pathologies. Dans le cas de la reconstruction osseuse, les échecs de traitements sont principalement liés aux infections bactériennes. Afin de limiter l’utilisation d’antibiotiques, de nouveaux biomatériaux possédant des propriétés bactéricides et ostéogéniques doivent être développés. En collaboration avec l’équipe d’Elena Ivanova (RMIT, Melbourne, Australie), le comportement d’ASC sur des biomatériaux de titane rendus antibactériens grâce à une topographie nanostructurée a été étudié. Ces matériaux nanostructurés permettent l’adhérence des ASC, tout en modifiant la morphologie des cellules et la formation d’adhérences focales. De plus, les supports nanostructurés permettent la prolifération des cellules, ne sont pas toxiques et les ASC conservent leurs propriétés multipotentes. Enfin, lors de cultures prolongées, ces biomatériaux ont démontré des effets ostéoinducteurs. Ces biomatériaux de titane nanostructurés sont donc prometteurs pour une future application en tant qu'implants pour la régénération osseuse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)