Développement de biomatériaux bioinspirés non animaux pour l’ingénierie tissulaire : application en médecine régénérative

Development of a non-animal bioinspired biomaterials for tissue engineering and regenerative medecine

• Auteur / Autrice : Mathilde Stricher
• Direction : Christophe Egles, Frédéric Delbecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-ingénierie : Unité de Recherche en Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 15/11/2022
• 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

Hydrocolloïdes

Microalgues

Algues

Différenciation cellulaire

Médecine régénératrice

Régénération (biologie)

Tissus (histologie)

Tissu mou

Génie tissulaire

Biocompatibilité

Biomatériaux

Mots clés libres

V. carteri f. nagariensis

Hydrogel composite

Microsphère

V. carteri f. nagariensis

Composite hydrogel

Microsphere

Sphere packing

Tissue engineering

Regenerative medecine

Soft tissue

Biomedical materials

Biocompatibility

Cell differentiation

Algae

Microalgae

Résumé

V. carteri f. nagariensis est un modèle établi pour l'étude des bases génétiques à l'acquisition de la multicellularité et la différenciation cellulaire. Cette algue constitue, une sphère structurée autour et stabilisée par une matrice extracellulaire primitive. Employant sa capacité à supporter l'adhésion cellulaire, j’ai développé une approche modulaire d'ingénierie des tissus mous par empilement compact de colonies de V. carteri. L’algue a démontré une cytocompatibilité, une promotion de l'histogenèse et une réponse non inflammatoire in vitro permettant d'envisager l'utilisation de V. carteri pour l'augmentation des tissus mous et lancer l’étude de sa biocompatibilité in vivo. Elle a présenté des propriétés de direction du devenir cellulaire, amenant les fibroblastes à adopter un phénotype de cellules souches à phosphatase alcaline+ et les cellules souches humaines et les cellules souches embryonnaires murines à se différencier en préadipocytes à adipocytes. Ses capacités de soutien de l'histogenèse et l'adipogenèse ont été confirmées in vivo par augmentation de tissu en sous-cutané sur souris athymiques, soutenant et influençant la régénération tissulaire. V. carteri a inspiré le développement d’autres matériaux alternatifs, d'origine végétale sous la forme d'hydrogel composite à base de cellulose caractérisé de manière approfondie pour l'augmentation des tissus mous. J’ai poursuivi l'approche biomimétique par l’étude de la faisabilité de formation d’un matériau végétal ou incluant l’algue, déclinant sa morphologie de microsphère et son contenu protéiques. Notre conclusion présente V. carteri comme un biomatériau innovant et inspirant pour l'ingénierie tissulaire et la régénération des tissus mous. Sa forme, sa structure et sa composition pourraient jouer un rôle central dans la conception d'une nouvelle génération de biomatériaux hétérogènes bio-inspirés, reflétant la complexité des tissus de l'organisme lors de leur régénération.

V. carteri f. nagariensis is an established model for the study of the genetic basis underlying the acquisition of mechanisms of multicellularity and cellular differentiation. This microalga constitutes, in its most simplified form, a sphere built around and stabilised by a form of primitive extracellular matrix. Based on its structure and its ability to support surface cell adhesion most likely induced by the composition of its extracellular matrix, we have developed a modular approach to soft tissue engineering by compact-stacking of V. carteri colonies. V. carteri suspension demonstrated cytocompatibility, histogenesis promoting properties, and no induction of an inflammatory response in vitro, which allowed us to consider the use of V. carteri suspension colonies for soft tissue augmentation and to initiate the study of its in vivo biocompatibility. V. carteri exhibited cellular fate-directing properties,causing fibroblasts to take on an alkaline phosphatase+ stem-cell-like phenotype and both human adipose-derived stem cells and mouse embryonic stem cells to differentiate into preadipocytes to adipocytes. The ability of V. carteri to support histogenesis and adipogenesiswas also observed in vivo by subcutaneous tissue augmentation of athymic mice, highlighting the potential of V. carteri to support or influence tissue regeneration. The potential identified in V. carteri inspired us to develop other alternatives materials including plant-based polymers in the form of a cellulose and polyvinyl alcohol based composite hydrogel that we extensively characterised with the same intent of application as a substitute for soft tissue augmentation. We finally pursued the biomimetic approach by studying the feasibility of developing plant-based and V. carteri-based materials that would display its microsphere morphology and, additionally, its protein content. Our conclusion presents V. carteri as an innovative and inspiring biomaterial for tissue engineering and soft tissue regeneration. Its strategies in terms of shape, structure, and composition can be central in the design of a new generation of bio-inspired heterogeneous biomaterials, recapitulating more appropriately the complexity of the body tissues when guiding their regeneration.