Hydrogels composites collagène/acide hyaluronique cellularisés et biomimétiques pour la régénération du Nucleus Pulposus

Collagen/hyaluronan cellularized biomimetic composite hydrogels for the Nucleus Pulposus regeneration

• Auteur / Autrice : Antoine Frayssinet
• Direction : Christophe Helary, Gervaise Mosser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomatériaux
• Date : Soutenance le 04/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Hourdet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Guicheux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachel Auzély-Velty, Halima-Assia Kerdjoudj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hyaluronique, Acide

Collagène

Hydrocolloïdes

Cellules stromales mésenchymateuses

Régénération (biologie)

Dégénérescence (pathologie)

Disques intervertébraux

Mots clés libres

Hydrogels composites

Collagène

Acide hyaluronique

Tyramine

Nucleus Pulposus

Cellules souches

Régénération du disque intervertébral

Différenciation

Nucléopulpocytes

Composite Hydrogels

Collagen

Hyaluronan

Tyramine

Nucleus Pulposus

Stem cells

Intervertebral Disc Regeneration

Differentiation

Nucleopulpocytes

Résumé

50 % des douleurs dorsales chroniques sont associées à une dégénérescence du disque intervertébral (IVD). Nous avons émis l'hypothèse qu'un hydrogel biomimétique favoriserait la régénération du Nucleus Pulposus, la partie centrale de l’IVD, en fournissant des signaux physiques adéquats à des cellules souches mésenchymateuses (MSC) pour se différencier en nucléopulpocytes. Avec des teneurs différentes en acide hyaluronique fonctionnalisé (HA-Tyr), des hydrogels composites Collagène/HA-Tyr ont été synthétisés et caractérisés par microscopies électroniques à balayage et à transmission, rhéologie, DSC, par test de dégradation enzymatique in vitro accélérée et par tests de capacité à absorber l’eau. Des MSC ont ensuite été incorporées dans les composites Col/HA-Tyr, puis cultivées pendant 28 jours. La viabilité cellulaire a été évaluée, et leur différenciation en nucléopulpocytes analysée par PCR quantitative et par immunohistochimie indirecte. La présence de plusieurs marqueurs de différenciation des nucléopulpocytes, tels que le Collagène de type II, l'Agrécane et le KRT 18 a été suivie. Le processus de fabrication a permis la génération d'hydrogels hautement hydratés (> 90%), mécaniquement biomimétiques, résistants à la dégradation enzymatique et dans lesquels la fibrillogenèse du collagène a été préservée. En absence de facteur de différenciation, l’élasticité et la structure des hydrogels composites Col/HA-Tyr semble suffire pour induire la différenciation des MSC incorporées en nucléopulpocytes. Développée suivant une approche biomimétique, cette plateforme d'hydrogels composites Col/HA-Tyr parait donc prometteuse pour la régénération du disque intervertébral.

Half of chronic back pain is associated with intervertebral disc (IVD) degeneration. We hypothesized that a biomimetic hydrogel would promote the regeneration of the Nucleus Pulposus, the central part of IVD. Hydrogels will provide cues to incorporated mesenchymal stem cells (MSC) to in situ differentiate into nucleopulpocytes. With different contents of functionalized hyaluronan (HA-Tyr), Collagen/HA-Tyr hydrogels were produced and characterized using scanning and transmission electron microscopy, rheology, DSC, accelerated in vitro enzymatic degradation and tested for their ability to absorb water. MSC were then incorporated within Col/HA-Tyr composites and cultured over 28 days. Cell viability was assessed and cell differentiation was analysed by quantitative PCR and indirect immunohistochemistry. The presence of several nucleopulpocytes differentiation markers, such as type II Collagen, Aggrecan and KRT 18 was monitored. The manufacturing process allowed the generation of highly hydrated hydrogels (> 90%), mechanically biomimetic, resistant against enzymatic degradation, in which collagen fibrillogenesis was preserved. Without any differentiation factor, both elasticity and structure of the Col/HA-Tyr composite hydrogels seems to be sufficient to induce the differentiation of the incorporated MSCs into nucleopulpocytes. In addition, the presence of collagen was necessary for an adequate cell adhesion. Developed according to a biomimetic approach, this platform of Col-HA-Tyr hydrogels appears promising for the intervertebral disc repair.