Reconstruction du cartilage nasal par impression 3D et ingénierie tissulaire : le projet NASALTIS

Reconstruction of the cartilage of the nose with 3D impression an tissue engineering : NASALTIS project

• Auteur / Autrice : Delphine Vertu-Ciolino
• Direction : Frédéric Mallein-Gérin, Jean-Daniel Malcor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et ingénierie tissulaire
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biologie tissulaire et d'ingénierie thérapeutique (Lyon ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Farges
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Mallein-Gérin, Jean-Daniel Malcor, Magali Demoor, Delphine Logeart, Émeline Perrier-Groult
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Magali Demoor, Delphine Logeart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cultures cellulaires

Génie tissulaire

Chondrocytes

Impression 3D

Mots clés libres

Cartilage

Nez

Ingénierie tissulaire

Impression 3D

Mécanique

Biomatériau

Biocompatibilité

Cartilage

Nose

Tissue engineering

3D impression

Mecanical

Biomaterial

Biocompatibility

Résumé

Le projet repose sur l'association de trois équipes qui ont mis en commun leur expertise pour permettre ce travail interdisciplinaire associant la biologie cellulaire, l'impression 3D, et des compétences chirurgicales. Il s'agit de fabriquer une prothèse de cartilage de la cloison nasale humaine par impression 3D et ingénierie tissulaire. La chirurgie reconstructrice du nez se heurte souvent au manque de cartilage. Le cartilage de la cloison nasale est la pièce maîtresse du nez. Son rôle est à la fois morphologique pour donner la forme projetée spécifique du nez humain, et fonctionnel pour maintenir perméable les fosses nasales au moment de l'inspiration. Ainsi la cloison nasale a un rôle à la fois morphologique et fonctionnel majeur.Malheureusement, le nez est un organe exposé au traumatisme ou aux pertes de substance en cas d'exérèse de tumeur maligne. De plus, le cartilage est un tissu avasculaire, ce qui entraînement une absence de capacités de régénération. La reconstruction du nez doit donc faire appel à des greffons de cartilage autologue prélevés au niveau du cartilage de l'oreille ou du cartilage des côtes, au prix d'une morbidité du site donneur pour le patient. Des implants alloplastiques existent, mais présentent un risque très élevé de surinfection et de rejet. C'est pourquoi les chirurgiens se tournent aujourd'hui vers l'ingénierie tissulaire pour éviter ces écueils. Les propriétés mécaniques du cartilage sont très importantes et doivent être imitées par le tissu construit en ingénierie tissulaire. Nous avons imaginé un concept de prothèse de cloison nasale associant un support structurel fabriqué dans un matériau de grade médical, de structure poreuse, imprimable en 3D, recouvert d'un gel de fibrine chargé de chondrocytes nasaux humains, pour répondre aux enjeux mécaniques et améliorer l'immunotolérance du tissu construit. Les chondrocytes nasaux humains sont obtenus par dons de résidus opératoires auprès de patients ayant donné leur consentement. L'amplification des chondrocytes, puis leur culture en hydrogel de fibrine, ont été réalisés en utilisant des facteurs solubles chondrogéniques, selon un protocole qui avait déjà montré son efficacité sur des chondrocytes nasaux et articulaires, au contact de différents supports liquides ou solides.Au cours de la première partie de notre étude, nous avons sélectionné un matériau parmi deux matériaux-candidats, en testant l'imprimabilité de chaque matériau, et sa biocompatibilité avec des chondrocytes nasaux en hydrogel de fibrine, après 3 semaines de culture in vitro, puis 6 semaines de culture in vivo sous la peau de la souris nude. Les essais d'imprimabilité, puis les analyses en PCR, en Western Blot réalisées après 3 semaines in vitro puis après 6 semaines in vivo, de la matrice extracellulaire du tissu obtenu, ont permis de retenir un silicone de grade médical. Dans la deuxième partie de notre étude, le matériau sélectionné a été imprimé selon une forme inspirée des techniques chirurgicales actuelles. Ce support à taille réelle a subi des tests mécaniques pour atteindre un module d'Young proche du cartilage de la cloison native. Ensuite, il a été recouvert d'un gel de fibrine chargé de chondrocytes nasaux et cultivé pendant 3 semaines in vitro. La qualité de la matrice extracellulaire obtenue autour du support a été analysée par des tests d'immunofluorescence sur le collagène de type II. La manipulabilité de la prothèse de cloison nasale construite, et sa capacité à soutenir le dos du nez pour lui rendre sa forme et sa fonction, ont été testés par des essais sur cadavres, car il n'existe pas de modèle animal pour le nez humain. Notre étude a permis de sélectionner un matériau imprimable et biocompatible pour les chondrocytes nasaux, puis de fabriquer une prothèse de cloison nasale humaine associant des chondrocytes humains nasaux.

The project is based on the association of three teams that have pooled their expertise to enable this interdisciplinary work combining cell biology, 3D printing, and surgical skills. The aim is to manufacture a cartilage prosthesis of the human nasal septum using 3D printing and tissue engineering. Reconstructive surgery of the nose is often hampered by a lack of cartilage. The cartilage of the nasal septum is the centerpiece of the nose. Its role is both morphological to give the specific projected shape of the human nose, and functional to keep the nasal cavity permeable during inspiration. Thus the nasal septum has both a major morphological and functional role. Unfortunately, the nose is an organ exposed to trauma or loss of substance in the case of malignant tumor removal. Moreover, the cartilage is an avascular tissue, which results in a lack of regenerative capacity. Reconstruction of the nose must therefore use autologous cartilage grafts taken from the cartilage of the ear or the cartilage of the ribs, at the cost of morbidity of the donor site for the patient. Alloplastic implants exist, but present a very high risk of superinfection and rejection. This is why surgeons are now turning to tissue engineering to avoid these pitfalls.The mechanical properties of cartilage are very important and must be mimicked by tissue engineered tissue. We imagined a concept of nasal septum prosthesis combining a structural support made of a medical grade material, with a porous structure, 3D printable, covered with a fibrin gel loaded with human nasal chondrocytes, to meet the mechanical challenges and improve the immunotolerance of the constructed tissue. The human nasal chondrocytes are obtained by donation of surgical residues from patients who have given their consent. The amplification of the chondrocytes, then their culture in fibrin hydrogel, was carried out using soluble chondrogenic factors, according to a protocol which had already shown its effectiveness on nasal and articular chondrocytes, in contact with various liquid or solid supports. In the first part of our study, we selected a material among two candidate materials, by testing the printability of each material, and its biocompatibility with nasal chondrocytes in fibrin hydrogel, after 3 weeks of in vitro culture, then 6 weeks of in vivo culture under the skin of nude mice. The printability tests, then the PCR and Western Blot analyses performed after 3 weeks in vitro and after 6 weeks in vivo, of the extracellular matrix of the tissue obtained, allowed us to retain a medical grade silicone. In the second part of our study, the selected material was printed in a shape inspired by current surgical techniques. This full-size support underwent mechanical tests to reach a Young's modulus close to the native septum cartilage. Then, it was covered with a fibrin gel loaded with nasal chondrocytes and cultured for 3 weeks in vitro. The quality of the extracellular matrix obtained around the support was analyzed by immunofluorescence tests on type II collagen. The manipulability of the constructed septum prosthesis, and its ability to support the back of the nose to restore its shape and function, was tested by cadaveric testing, as there is no animal model for the human nose. Our study selected a printable, biocompatible material for nasal chondrocytes and then fabricated a human septum prosthesis combining nasal human chondrocytes.