Matrices tridimensionnelles issues de la chimie verte pour le traitement de l’insuffisance cardiaque par thérapie cellulaire-génique

Three-dimensonal green scaffolds for heart failure treatment using cell-based gene therapy

• Auteur / Autrice : Raya Bushkalova
• Direction : Brigitte Sallerin, Sophie Girod-Fullana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiopathologie
• Date : Soutenance le 09/02/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thérapeutique cellulaire

Thérapie génique

Insuffisance cardiaque

Chimie verte

Mots clés libres

Insuffisance cardiaque

Biomatrices

Cellules souches mésenchymateuses

Alginate

Chitosan

Chimie verte

Thérapie génique

Résumé

L’objectif de ce travail consiste à élaborer des biomatrices à base d’alginate visant à améliorer les résultats de la thérapie de l’insuffisance cardiaque avec cellules souches mésenchymateuses (CSM). Les éléments essentiels d’amélioration des matrices à base d’alginate concernent le contrôle sur la porosité, l’amélioration des propriétés mécaniques et le maintien des propriétés élastiques. Ce travail s’inscrit à la suite de résultats prometteurs obtenus précédemment par notre consortium axés sur la mise au point de matériaux à base d’alginate adaptés à l’ingénierie tissulaire cardiaque. D’une part, la génération d’une mousse d’alginate à l’aide d’un tensioactif avait permis d’obtenir des matrices 3D dont la porosité pouvait être contrôlée en fonction de la nature de celui-ci. D’autre part, l’association de l’alginate à différentes proportion de chitosan avait permis d’obtenir des matrices 3D de polyélectrolytes de charges opposées (PEC) de propriétés mécaniques améliorées. Dans ce manuscrit, une étude de l’importance de la structure 3D, du comportement mécanique et des interactions cellules-matrice permet d’aller plus loin dans la conception de matrices conformes à la stratégie thérapeutique. Avec l’objectif de rester en chimie verte et de ne pas modifier chimiquement les biopolymères, trois voies d’élaboration de matrices sont développées et leur intérêt respectif est analysé. Nos résultats mettent en évidence l’influence de la porosité des matrices 3D de mousses d’alginate sur la sécrétion de facteurs paracrines par les CSM ensemencées. De plus, nous démontrons les conséquences de la formation et de la répartition 3D des PEC sur les propriétés biologiques des matrices associant alginate et chitosan par rapport à celles des deux polymères purs. L’association des CSM à une formulation particulière de matrice PEC parait très prometteuse pour pallier aux désavantages de la thérapie cardiaque par injection des CSM en permettant une bonne rétention, survie et prolifération cellulaires après ensemencement. Basés sur ces résultats, nous développons un procédé innovant de préparation permettant d’obtenir des matrices de propriétés élastiques améliorées qui se rapprochent mieux du cahier des charges. En parallèle de l’optimisation des biomatrices, nous développons une stratégie d’optimisation des CSM par transfert de gènes-médicaments. L’expression combinée de 2 facteurs prorangiogéniques sécrétés aboutit à une augmentation du pouvoir angiogénique des CSM in vitro. Enfin, nous démontrons l’implantabilité et la biocompatibilité des matrices PEC contenant ces CSM potentialisées in vivo. Notre démarche d’explorer les propriétés paracrines des CSM en utilisant un transfert de gènes et une biomatrice est originale dans le domaine cardiaque. Elle détient un grand potentiel du fait qu’elle associe des approches de bioingénierie, de thérapie cellulaire et de thérapie génique, permettant ainsi une prise en considération transversale de la thérapie cardiaque en vue d’une meilleure efficacité.

The goal of this work is to optimize stem cell therapy results of heart failure by combining alginate-based biomatrices and mesenchymal stem cell (MSC). The three major parameters needing improvement in the existing alginate-based scaffolds are control on porosity, enhancement of mechanical properties, and maintain of elastic behavior. This project flows from a previous study focused on the development of alginate-based materials for cardiac tissue engineering which has shown promising results. On the one hand, foam generation within an alginate solution using a surfactant has allowed obtaining highly porous scaffolds with controlled porosity. Furthermore, it was possible to modulate the porosity by varying the type of surfactant used in the foam preparation step. On the other hand, combining alginate with different proportions of another biocompatible polymer of opposite charges - chitosan – has led to the generation of polyelectrolyte complexes of opposite charges (PEC) and 3D PEC scaffolds with improved mechanical properties. In this manuscript, a comprehensive study of the 3D structure, the mechanical behavior, and the cell-matrix interactions allows us to go deeper into the understanding of the importance of these parameters for the design of 3D scaffolds matching the specific requirements of the therapeutic strategy. Here, we describe the development and the advantages of three fabrication strategies that only use unmodified biopolymers in respect with green chemistry processes. Our results reveal the relationship between the alginate foam porosity and the paracrine secretion function of the scaffold-seeded MSC. Moreover, we show the consequences of PEC formation and 3D distribution on the PEC scaffolds’ biological properties compared to pure alginate and chitosan properties. Importantly, our results provide evidence that MSC administration through a particular PEC formulation scaffold could truly help overcoming current limitations of cardiac cell therapy that uses direct cell injection, since it provides good cell retention, survival and proliferation after seeding within the matrix. Based on these results, we develop an innovative process to elaborate 3D scaffolds whose elastic properties are better maintained. Therefore, these optimized scaffolds match better the specifications of the ideal biomaterial for cardiac tissue engineering with MSC. In parallel to scaffold optimization, we develop a strategy for MSC optimization using a gene transfer technique. The combined expression of 2 secreted proangiogenic factors leads to the enhancement of the MSC in vitro angiogenic properties. Finally, we demonstrate the in vivo implantability and biocompatibility of 3D PEC scaffolds seeded with enhanced MSC. Our strategy to take exclusively advantage of the MSC paracrine secretion function by using 3D scaffolds and gene transfer is original in the cardiac field. It holds great potential by offering a multidisciplinary approach for the management of heart failure by combining bioengineering with cell and gene therapy, thus aiming at better therapy results.