Effet d’une stimulation mécanique sans contact par impulsion d'air sur l'activité cellulaire d'un construit d'ingénierie tissulaire obtenu par bio impression 3D

Effect of non-contact mechanical stimulation by air pulse on the cellular activity of a tissue-engineered construct obtained by 3D bioprinting

• Auteur / Autrice : Hugo Marchal-Chaud
• Direction : Caroline Boulocher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 03/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions Cellules Environnement (Marcy l'Étoile ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Astrid Watrin-Pinzano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Boulocher, Laurence Vico-Pouget, Patrick Cañadas, Laurent David, Romain Rieger, Anayancy Osorio Madrazo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Vico-Pouget, Patrick Cañadas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérimentation animale

Éthique médicale

Fibroblastes

Collagène de type I

Génie tissulaire

Mots clés libres

Ingénierie tissulaire

Bio-impression 3D

Fibroblastes

Collagène I

Stimulation mécanique sans contact

Simulation numérique

Tissue engineering

3D bioprinting

Fibroblasts

Collagen I

Contactless mechanical stimulation

Numerical simulation

Résumé

L’ingénierie tissulaire est une discipline qui a pour objectif de réparer, substituer ou améliorer les tissus biologiques par le développement de substituts tissulaires élaborés à partir de cellules, d’un échafaudage et d’une méthode de bio-fabrication. La recherche dans le domaine de l’ingénierie tissulaire est motivée par trois grands enjeux du domaine de la santé, à savoir la fiabilité et l’éthique de l'expérimentation animale, la crise de pénurie d'organes (Khan et al. 2023) et le développement de médicaments, qui laisse apercevoir de nombreux échecs lors des phases d'études précliniques. Le développement de substituts tissulaires entièrement fonctionnels constitue le défi actuel de l’ingénierie tissulaire. Malgré plus de 30 ans de recherche, les substituts tissulaires issus de l’ingénierie tissulaire continuent de présenter des différences en termes d’organisation structurelle et de propriétés mécaniques et biologiques avec les tissus biologiques. L’action de force mécanique influence largement l’activité cellulaire telles que la synthèse de matrice extracellulaire, la différenciation et la prolifération. L’effet d’une stimulation mécanique sur l’activité cellulaire peut être étudié en ingénierie tissulaire dans une structure biologique élémentaire appelée construit d’ingénierie tissulaire, « en anglais : tissue engineered construct (TEC) ». Il est possible de stimuler mécaniquement les cellules dans les TEC par i) la maitrise des propriétés de l’échafaudage ou ii) l’application d’une stimulation mécanique externe à l’échafaudage. Cependant, il peut être difficile de maitriser les propriétés des échafaudages. Une stimulation mécanique externe permet de stimuler mécaniquement les cellules sans modifier les propriétés de l’échafaudage. Les effets des stimulations mécaniques externes telles que la compression, l'étirement, ou le cisaillement ont été largement étudiés in vitro. Cependant, les dispositifs de stimulation mécanique externe développés sont majoritairement en contact direct avec les TEC, et il existe peu d'études menant des stimulations « sans contact », qui auraient l’avantage d’être réalisées in vivo sans altérer l'intégrité des tissus. Ainsi, ces travaux de thèse proposent d’étudier l’effet d’une stimulation mécanique externe sans contact et non invasive sur l’activité cellulaire d’un TEC. Une stimulation mécanique externe par impulsion d’air a été définie comme méthode de stimulation mécanique externe sans contact. Les principales tâches de la thèse portent sur le développement, la caractérisation et la validation : i) d’un TEC élaboré à base de fibroblaste obtenu par bio-impression 3D adapté à une maturation et produisant du collagène I ; ii) d’un dispositif de stimulation par impulsion d’air ; et iii) d’un protocole d’analyse de la synthèse de collagène I adapté à un TEC obtenu par bio-impression 3D. Tout d’abord, ces travaux détaillent le protocole d’élaboration d’un TEC à base de fibroblastes et obtenu par bio-impression 3D avec comme critère de succès la synthèse de collagène de type I, la prolifération cellulaire et la conservation de la stérilité du TEC tout au long de sa phase de maturation. Ensuite, ces travaux portent sur le développement et la validation d’un dispositif de stimulation par impulsion d’air en condition stérile. Les critères de succès sont la vérification de la stérilité et de la non-cytotoxicité du dispositif conçu ainsi que le développement d’une étude expérimentale de stéréocorrélation. Les résultats de stéréocorrélation permettent de développer et de valider une simulation numérique qui aura pour objectif d’adapter le jet d’air à la sollicitation souhaité et d’étudier les effets de la sollicitation dans les TEC. Enfin, les travaux concluent sur les résultats d’une étude de l’effet d’une stimulation sans contact par impulsion d’air de 14 jours (du 14e au 28e jour de maturation) sur l’activité cellulaire d’un TEC élaboré à base de fibroblastes et obtenu par bio-impression 3D.

Tissue engineering is a field that aims to repair, replace or improve biological tissues by developing tissue substitutes based on cells, a scaffold and a bio-manufacturing process. Tissue engineering is motivated by three main health care issues, namely, the reliability of animal testing, the organ shortage crisis and drug development, which suffers from numerous failures during preclinical study phases. The development of fully functional tissue substitutes is the current challenge of tissue engineering. However, despite more than 30 years of research, tissue engineered substitutes continue to differ from biological tissues in terms of mechanical and biological properties and structural organization. The action of mechanical force largely influences cellular activity, such as extracellular matrix synthesis, differentiation and proliferation. The effect of a mechanical stimulation on cellular activity can be studied in tissue engineering in an elementary biological structure: the tissue engineered construct (TEC). It is possible to mechanically stimulate cells in TECs by i) controlling the scaffold properties or ii) applying external mechanical stimulation to the scaffold. However, it can be difficult to control the properties of scaffolds. External mechanical stimulation allows cells to be mechanically stimulated without altering the properties of the scaffold. The effects of external mechanical stimulation, such as compression, stretching or shearing, have been extensively studied in vitro. However, the external mechanical stimulation devices developed are mainly in direct contact with the TECs, and there are few studies about contactless stimulation, which would have the advantage of being performed in vivo without altering tissue integrity.The aim of this thesis is to study the effect of an external contactless mechanical stimulation on the TEC cellular activity. Mechanical air pulse stimulation using has been defined as the contactless mechanical stimulation method. The main tasks of the thesis are to develop, characterize and validate: i) a fibroblast-based TEC obtained by 3D bioprinting adapted for maturation and collagen I synthesis; ii) an air-pulse stimulation device; and iii) a protocol for analyzing collagen I synthesis adapted to a TEC obtained by 3D bioprinting.Firstly, this work details the protocol for producing a fibroblast-based TEC 3D bioprinted, with type I collagen synthesis, cell proliferation and preservation of the TEC's sterility throughout its maturation phase as success criteria. Secondly, this work focuses on the development and validation of an air pulse stimulation device under sterile conditions. The success criteria are verification of the sterility and non-cytotoxicity of the device designed, and the development of an experimental stereocorrelation study. The stereocorrelation results were used to develop and validate a numerical simulation, the aim of which will be to adapt the air pulse stimulation to the desired stress and to study the effects this stress on the TECs. Finally, this work concludes with the results of the effect of a contactless air pulse stimulation over 14 days (from day 14 to day 28 of maturation) on the cellular activity of a fibroblast-based TEC 3D bioprinted.