Supports biomimétiques actifs pour la différenciation de cellules souches mésenchymateuses : application à la régénération du cartilage

Active biomimetic supports for mesenchymal stem cells : application to cartilage regeneration

• Auteur / Autrice : Sophie Raisin
• Direction : Emmanuel Belamie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 28/10/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Belamie, Tristan Montier, Thierry Delair, Marie Morille, Catherine Levisage, Benjamin Nottelet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tristan Montier, Thierry Delair

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomatériaux

Nanoparticules

Cellules souches

Mots clés libres

Matériaux biofonctionnels

Cellules souches

Nanoparticules

Transfection

SiRNA

Matériaux biomimétiques

Biofunctional materials

Stem cells

Nanoparticles

Transfection

SiRNA

Biomimetic materials

Résumé

La conception de biomatériaux actifs est actuellement encouragée par le manque de thérapies régénératives efficaces pour des tissus endommagés présentant une faible capacité d’autoréparation. Les progrès récents concernant les techniques de préparation de matériaux structurés (électrospinning, microfluidique) ainsi que la découverte du fort potentiel régénératif des cellules souches ont suscité un regain d’intérêt pour des projets collaboratifs à l’interface entre biologie et sciences des matériaux. Une approche prometteuse de régénération tissulaire repose donc sur la combinaison de cellules souches et de biomatériaux implantables. Des biomatériaux innovants, injectables et servants à la fois de support aux cellules et de réservoir de molécules actives telles que des protéines ou des agents de thérapie génique (Matrice Génétiquement Activée) ont été développés. Se plaçant plus particulièrement dans le contexte de l’ingénierie du cartilage, ce travail a pour objectif de développer une stratégie complémentaire concernant l’orientation de la différenciation de cellules souches mésenchymateuses (CSM) grâce au mécanisme d’interférence ARN.La principale difficulté rencontrée lors de l’utilisation d’acides nucléiques pour induire la différenciation des CSM reste leur faible capacité à traverser les membranes cellulaires, due à leur nature hydrophile et leur charge négative. De plus, les acides nucléiques sont dégradés très facilement par les nucléases extracellulaires, ce qui rend nécessaire l’utilisation d’un vecteur. Les vecteurs non-viraux sont d’excellents candidats pour des applications in vivo en raison de leur faible coût de production et leur faible immunogénicité. Toutefois, la plupart des systèmes de vectorisation trouvés dans la littérature présentent un manque de reproductibilité associé à une cytotoxicité vis-à-vis des cellules primaires. Nous souhaitions donc développer un système de transfection synthétique à la fois efficace et biocompatible. Pour cela, nous nous sommes basés sur les résultats encourageants concernant l’utilisation des micelles de complexes polyioniques (PIC) pour la transfection des cellules dendritiques. Ces micelles sont formées par complexation de deux polyélectrolytes : un copolymère à blocs double-hydrophiles (CBDH) avec un bloc anionique et un homopolymère cationique. Dans ce travail, nous avons évalué le polyoxyde d’éthylène – b – polyacide méthacrylique en tant que CBDH et la poly-L-lysine ou le polyéthylènimine en tant que polycation. L’influence des caractéristiques des composantes (asymétrie du CBDH, nature du polycation, taille des blocs, ratio de charges…) sur les propriétés physico-chimiques des micelles formées (taille, charge de surface) a d’abord été étudiée. Puis, la possibilité de complexation d’un siRNA au sein des micelles ainsi que leur stabilité en conditions physiologiques ont été évaluées. La formulation des micelles a été conçue pour permettre une dissociation des objets à un pH comparable à celui des endosomes ; ceci a été vérifié par diffusion dynamique de la lumière. Une analyse par cytométrie en flux avec un siRNA marqué TAMRA ont démontré l’internalisation effective des micelles dans les CSM. Plus important encore, l’inhibition spécifique d’un gène cible, Runx2, a été démontrée à un niveau comparable à celui d’un vecteur commercial standard, la Lipofectamine2000®. La seconde partie de la thèse a consisté en l’élaboration de microparticules. A cet effet, nous avons préparé des microsphères de collagène par un dispositif de microfluidique, et ce à partir de diverses sources de collagène (murin, porcin, bovin). Des expériences préliminaires démontrent qu’il est possible d’imprégner les micelles dans les microsphères. De même, de premiers résultats encourageants ont été obtenus quant à la capacité du système globale à assurer l’adhésion cellulaire et permettre une transfection efficace des CSM dans un environnement 3D par les micelles PIC vectorisant un siRNA anti-Runx2.

The relative lack of efficient regenerative therapies for damaged tissues with low capacity for self-repair is one major motivation for the design of new active biomaterials. Recent progress in hierarchical materials processing techniques (electrospinning, microfluidics…) and the demonstration of the strong regenerative potential of stem cells have prompted renewed interest for collaborative projects at the biology / materials science interface. The combination of stem cells and active implantable materials has emerged as a high potential approach for the regeneration of damaged tissues. In particular, injectable cell carriers also acting as a reservoir for active molecules like proteins or gene therapy agents (Gene Activated Matrices) bring about innovative solutions to current issues in the field of tissue engineering. In the context of cartilage regeneration, the main objective of this work was to investigate a complementary strategy to orient mesenchymal stem cell (MSC) fate by the use of RNA interference. One major difficulty to reach high transfection levels and efficiently direct MSC differentiation comes from the low ability of nucleic acids (NA) to cross cellular membranes, largely due to their hydrophilicity and negative charge. This, along with a strong susceptibility to extracellular nucleases, calls for efficient gene delivery vectors. Their low production cost and low immunogenic potential make non viral vectors good candidates for in vivo applications. Besides, most systems reported in the literature show reproducibility and cytotoxicity issues with primary cells that we intended to address to achieve a safe and efficient synthetic vector for MSC. Based on previous encouraging results on the transfection of dendritic cells, we chose to investigate tripartite polyionic complex (PIC) micelles. Their formation is based on the polyelectrolyte complexation of a polyanionic double-hydrophilic block copolymer (DHBC) with a cationic homopolymer. In this work, we investigated polyethylene oxide – b – polymethacrylic acid as the DHBC and Poly-L-Lysine or Polyethyleneimine as the polycation. One major part of the work was to study the influence of micelles components characteristics (block size, DHBC asymmetry, polycation nature and molecular weight, polyelectrolyte charge ratios, etc.) on the physical characteristics (dimensions, surface charge) of the obtained nanoparticles. We then studied the ability of micelles to stably complex siRNA at high loading levels, and their stability in physiological conditions. Importantly, the PIC micelles’ formulation was designed to allow for pH-triggered disassembly in acidic conditions similar to those found in endosomes, as assessed by light scattering measurements. These nanoparticles were shown to be efficiently internalized inside MSC by flow cytometry using a fluorescently labeled SiRNA-TAMRA. Most importantly, they were shown to efficiently down-regulate Runx2 mRNA in MSC, at levels similar to those reached with the gold standard Lipofectamine2000®. The second major step for the development of a GAM suited for cartilage regeneration was to elaborate injectable microparticles. To this purpose, we prepared collagen microspheres through a microfluidic-based process and with different collagen sources (murine, bovine, and porcine). Preliminary experiments show that micelles can be efficiently loaded into the microspheres. First encouraging results were also obtained regarding the ability of the created GAM to support cell adhesion, and to allow for the efficient transfection of MSC in this 3D environment, thanks to an anti-runX2 siRNA vectorized with PIC micelles. This proof-of-concept study has demonstrated that the main elements of the nano-in-micro system are ready and mostly meet the assigned requirements. This opens the way for further work to assess the ability of this GAM to effectively improve MSC chondrogenesis and ultimately cartilage repair.