Mise en œuvre d’un système de confinement et de délivrance moléculaire pour la production in situ de glucose au sein d’un hydrogel conçu pour l'ingénierie tissulaire

A molecular delivery system for the in situ production of glucose in a tissue engineering hydrogel

• Auteur / Autrice : Julie Boisselier
• Direction : Emmanuel Pauthe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé - Cergy
• Date : Soutenance le 09/11/2016
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe de recherche sur les relations matrice extracellulaire-cellules (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1992-....) - Equipe de recherche sur les relations matrice extracellulaire-cellules / ERRMECe
• Jury : Président / Présidente : Paul Van Tassel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Pauthe, Adeline Gand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Blanchemain, Jean Coudane

Mots clés

Mots clés libres

Biomatériaux

Nanoparticules

Hydrogel

Biomaterials

Nanoparticles

Hydrogel

Résumé

En ingénierie tissulaire, la survie in vivo de cellules souches implantées au sein d’un biomatériau est limitée par les conditions d’un environnement ischémique qui se caractérise par un déficit en oxygène et en nutriments. Récemment, dans le cadre d’un projet de recherche dédié au développement d’un hydrogel composite à base de fibrine, biomatériau conçu pour améliorer la survie de cellules souches post-implantation, il a été mis en évidence la nécessité de contrôler dans le temps et l’espace la disponibilité du glucose au sein de ce matériau. Cet apport in situ de glucose est réalisé par dégradation contrôlée de l’amidon, un polymère de glucose. Cette production est assurée par action enzymatique d’un catalyseur spécifique de l’hydrolyse de l’amidon, l’amyloglucosidase (AMG).Toutefois, il convient de maitriser différents paramètres tels que la fuite de l’AMG en dehors de l’hydrogel ou encore sa perte d’activité au cours du temps. Dans ce contexte, l’encapsulation de l’AMG dans des nanoparticules d’un polymère biodégradable et biocompatible, ici l’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA), devrait permettre le contrôle des paramètres susmentionnés.Des nanoparticules de type core-shell contenant l’AMG (NPe) ont été synthétisés par l’adaptation d’un protocole de double émulsion (water-oil-water). Différentes méthodes ont été développées pour déterminer les propriétés physico-chimiques et biochimiques des nanoparticules produites. Le protocole de synthèse a été optimisé afin de produire des nanoparticules reproductibles et stériles utilisables dans des hydrogels implantables in vivo.Le cahier des charges de l’hydrogel enrichi en amidon et en NPe impose un apport continu du glucose pendant 1 mois. La stabilité des nanoparticules a été étudiée en solution et dans les hydrogels. La production de glucose grâce à ces NPe a été investiguée en solution et en hydrogel mettant en avant l’intérêt de ces nanoparticules au sein du dispositif.

In tissue engineering, the in vivo survival of stem cells located within a biomaterial is limited by an ischemic environment characterized by a low supply of oxygen and nutrients. Recent studies on fibrin based hydrogels (designed to improve stem cells survival after implantation) have highlighted the need to control the spatiotemporal availability of glucose within a biomaterial scaffold. Glucose release occurs through the degradation of starch, a glucose polymer, at a rate controlled by the action of the enzyme amyloglucosidase (AMG), a specific catalyst for the hydrolysis of starch.In order to eventually be of clinical impact, critical parameters must be tuned, such as the AMG leakage outside the hydrogel and its loss of activity over time. In this context, AMG encapsulation within nanoparticles of a biodegradable and biocompatible polymer, here poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), is a promising means toward controlling the above parameters.The AMG-containing core-shell type nanoparticles (NPe) were synthesized by an adaptation of the double emulsion technique (water-oil-water). Different methods have been developed to determine the physicochemical and biochemical properties of the resulting nanoparticles. The synthesis was optimized to produce sterile and reproducible nanoparticles appropriate for in vivo implantable hydrogels.Nanoparticle stability and glucose release were investigated in solution and in hydrogels. A key specification of the hydrogel system, enriched in starch and NPe, is the continuous supply of glucose over 1 month. Glucose production was observed to meet this specification, highlighting the potential advantages of this approach.