Elaboration de modèle 3D par bio-impression pour le suivi des propriétés mécaniques de la matrice extracellulaire : application à l'ostéogenèse imparfaite

Development of bioprinted 3D model to monitor the mechanical properties of the extracellular matrix : focus on osteogenesis imperfecta

• Auteur / Autrice : Sarah Pragnere
• Direction : Cyril Pailler-Mattei, Emma Petiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 16/09/2022
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Alexandrine Bolzinger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Pailler-Mattei, Emma Petiot, Fabrice Pirot, Laure-Lise Gras, Luciano Vidal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Debret, Patrick Chabrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Ostéogenèse imparfaite

Mots clés libres

Collagène I

Bio-impression

Os

Derme

Ingénierie tissulaire

Indentation

Biomécanique

Ostéogenèse imparfaite

Module d’élasticité

Viscoélasticité

Force de traction

Collagen I

Bioprinting

Bone

Dermis

Tissue engineering

Indentation

Biomechanics

Ostegenesis imperfecta

Young’s modulus

Viscoelasticity

Traction force

Résumé

L’ostéogenèse imparfaite (OI), est une maladie rare causée par une mutation génétique portée par un des gènes qui encodent le collagène de type I. Elle est caractérisée par une fragilité accrue des os. Bien que la peau soit également riche en collagène I, les effets des mutations responsables de l’OI semblent mineurs sur cet organe. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans un projet consistant à établir un lien entre les effets de l’ostéogenèse imparfaite sur les tissus osseux et dermiques. Cette étude a nécessité de décrire ces tissus d’un point de vue biomécanique et de leur physiologie cellulaire.Ce travail propose donc de développer des modèles d’étude in vitro en trois dimensions pour les tissus osseux et cutanés. En effet, cette étape est nécessaire à la compréhension du lien os-peau dans le cas de l’OI. Nous avons ainsi pu déterminer les propriétés mécaniques et structurales optimales de construit bio-imprimés pour permettre le développement de modèles de tissu osseux et de derme in vitro. La génération de ces modèles a également nécessité d’adapter les méthodes de caractérisation biomécanique existantes pour les explants aux spécificités de nos nouveaux modèles. Nous avons montré que l’essai d’indentation permettait de mesurer à la fois les propriétés élastiques et viscoélastiques des construits bio-imprimés. Nous avons également quantifié les forces de traction générées par les cellules et responsables de la contraction macroscopique des construits. Dans une dernière partie, les stratégies utilisées pour produire des modèles cellulaires OI ont été présentées. Les modèles de tissu osseux et de derme produits dans le cadre de ces travaux pourront donc servir à étudier l’OI, mais également d’autres pathologies du collagène I telle que l’ostéoporose.

Osteogenesis imperfecta (OI) is a rare disease caused by a genetic mutation carried by one of the genes that encode type I collagen. It is characterized by increased bone fragility. Although skin is also rich in collagen I, the effects of the mutations responsible for OI appear to be minor on this organ. This thesis work is part of a project consisting in establishing a link between the effects of osteogenesis imperfecta on bone and dermal tissues. This study required to describe these tissues from a biomechanical point of view and their cellular physiology.This work therefore offers to develop in vitro models in three dimensions for bone and skin tissue. Indeed, this step is necessary to understand the bone-skin link in the case of OI. We were thus able to determine the optimal mechanical and structural properties of bio-printed constructs to allow the development of models of bone tissue and dermis in vitro. The generation of these models also required adapting existing biomechanical characterization methods for explants to the specificities of our new models. We showed that indentation test can measure both elastic and viscoelastic properties of bioprinted constructs. We also quantified the traction forces generated by the cells and responsible for the macroscopic contraction of the constructs. In a last part, the strategies used to produce OI cell models were presented. The models of bone tissue and dermis produced within the framework of this work could therefore be used to study OI, but also other pathologies of collagen I such as osteoporosis.