Analyse multi-échelle des constructions de tissus multicouches : interfaces dans le système musculo-squelettique basées sur des jonctions ostéotendineuses fabriquées par génie tissulaire

Multiscale analysis of multi-layered tissues constructs : interfaces in the musculo-skeletal system based on tissue engineered osteotendinous junctions

• Auteur / Autrice : Alejandro García García
• Direction : Fahmi Bedoui, Cécile Legallais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 11/06/2019
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingénierie / BMBI

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Transduction du signal cellulaire

Moelle osseuse

Polymères

Différenciation cellulaire

Lignées cellulaires

Cellules -- Adhésivité

Cellules souches

Cultures cellulaires

Os

Tendons

Génie biomédical

Biomécanique

Biocompatibilité

Biomatériaux

Tissus (histologie) -- Cultures cellulaires

Génie tissulaire

Mots clés libres

Système musculo-squelettique

Electrospinning

Biomimétisme

Continuum tendon-os

Mécanotransduction

Tissue engineering

Bone

Tendon

Interface

Electrospinning

Biomechanics

Stem cells

Polymer

Biomedical materials

Biocompatibility

Biomechanics

Biomedical engineering

Cell culture

Cell adhesion

Cell lines

Cell differentiation

Bone marrow

Résumé

L’objectif de cette thèse était le développement d'un substitut bio-hybride pour la reconstruction du continuum tendon-os sur le principe de l’ingénierie tissulaire. Après une analyse bibliographique exhaustive des structures natives et de leur environnement, nous avons d'abord proposé la réalisation de chaque système séparément en utilisant des scaffolds en polycaprolactone réalises par electrospinning. Dans un premier temps, nous avons combiné l’electrospinning et l’electrospraying pour produire un scaffold composé de polycaprolactone et d’hydroapatite avec une structure en forme de nid d'abeille. Notre hypothèse était de doter le substitut d'une structure biomimétique favorisant l'adhésion, la colonisation et la différenciation cellulaire. L'analyse mécanique et biologique in vitro réalisée avec une lignée cellulaire progénitrice et des tests organotypiques a confirmé notre approche originale. Ensuite, le matériel ensemencé avec des cellules souches de moelle osseuse a été implanté avec succès par nos collaborateurs d'Amiens dans le but de traiter un défaut maxillo-facial chez un modèle de rongeur. Parallèlement, pour la reconstruction du tendon, nous avons réalisé différents scaffolds d'electrospinning, dont la taille et l'organisation (aléatoire/alignée) des fibres varient. Dans une perspective bio-inspirée, nous avons combiné les scaffold avec l'étirement dynamique pour reproduire l'entraînement physique. Sous ces stimulations mécaniques, établies d'abord avec la même lignée cellulaire progénitrice, nous avons démontré dans une deuxième étude que les CSM s'alignaient sur l'axe d'étirement et produisaient une matrice extracellulaire, ce qui a permis de conserver les propriétés mécaniques de la matrice biohybride pendant les deux semaines de la culture. Nous avons démontré que la différenciation cellulaire vers la lignée tendineuse et osseuse a été réalisée avec succès en l'absence de tout facteur de différenciation, étant spécifiquement lié aux propriétés des matériaux et à la mécanotransduction. Par conséquent, l'étape suivante, qui consiste à assembler les deux échafaudages avec une zone de transition, devrait conduire à la reconstruction de ce continuum osseux-tendon.

The objective of this thesis was the development of a biohybrid substitute for the reconstruction of the bone-tendon continuum based on tissue engineering strategies. After an exhaustive bibliographic analysis of the native structures and their environment, we first proposed the realization of each system separately using electrospun polycaprolactone scaffolds. At first, we combined electrospinning with electrospraying techniques to produce a PCL-hydroapatite scaffold with honeycomb cavities. Our hypothesis was to provide the substitute with a biomimetic structure favoring cell adhesion, spreading and differentiation. The in vitro mechanical and biological analysis performed with a progenitor cell line and withorganotypic assays confirmed our original approach. Then, the material seeded with bone marrow stem cells was successfully implanted by our collaborators in Amiens with the objective of treating a maxillofacial defect in a rodent model. In parallel, for the tendon reconstruction, we investigated several electrospinning processes, varying fibers’ size and organization (random/aligned). In a bioinspired perspective, we combined the choice of the scaffold with dynamic stretching to reproduce physical training. Under those mechanical stimulations, established first with the same progenitor cell line, we demonstrated in a second study that MSCs aligned with the stretching axis and produced extracellular matrix, which in turn allowed to keep the mechanical properties of the biohybrid scaffold all over the 2 weeks of culture. We demonstrated that cell differentiation towards tendon and bone lineage was successfully achieved in the absence of any differentiation factor, being specifically related to materials properties and mechanotransduction. Therefore, the next step consisting in the assembly of both scaffolds with a transition area should lead to this bone-tendon continuum’s reconstruction.