Ingénierie tissulaire de l'oesophage

Tissue Engineering of the esophagus

• Auteur / Autrice : Romane Lesieur
• Direction : Laurence Bordenave
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 13/02/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bioingénierie tissulaire
• Jury : Président / Présidente : Catherine Levisage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucie Germain, Nicolas Carrère, Arthur Berger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Levisage, Lucie Germain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anastomoses chirurgicales

Cellules stromales mésenchymateuses

Oesophage

Génie tissulaire

Mots clés libres

Matrice décellularisée

Substitut oesophagien

Cellules stromales mésenchymateuses de la gelée de Wharton

Decellularized matrix

Esophageal substitue

Mesenchymal stromal cells derivedfrom Wharton's Jelly

Résumé

La restauration de la continuité digestive suite à l'ablation d'une portion de l'œsophage consiste à la réalisation chirurgicale d’une anastomose œsogastrique intra-thoracique. Néanmoins des complications post-opératoires sont décrites telles que des atteintes pulmonaires, des fistules, des sténoses, des nécroses de plastie, et un reflux gastro-œsophagien. Le développement d'un substitut issu de l'ingénierie tissulaire dérivé de la matrice œsophagienne biologique décellularisée (MBD) est prometteur dans la perspective d’améliorer la prise en charge du traitement chirurgical pour le remplacement de l’œsophage. L'objectif principal de cette étude était d'optimiser la conception d’une MBD de porcs et de caractériser ses propriétés biologiques et mécaniques. Le second objectif était de cellulariser la MBD au moyen de cellules immuno-privilégiées, facilement disponibles : les cellules stromales mésenchymateuses humaines issues de la gelée de Wharton (CSM-GW).La décellularisation de l'œsophage était réalisée selon un protocole basé sur la perfusion dynamique de solutions chimiques et enzymatiques de la lumière de l’organe. L’analyse histologique et la quantification de l’ADN résiduel de la MBD permettaient de déterminer l’efficacité du protocole de décellularisation. L'ultrastructure de la MBD était analysée par des marquages immunohistochimiques (IHC), et la composition du contenu protéique de la matrice extracellulaire (MEC) était décrite par spectrométrie de masse. Les tests de cytotoxicité in-vitro de la MBD étaient réalisés conformément à la norme ISO 10993-5. L’évaluation de la force de rétention à la suture, la résistance à la traction et la pression à l’éclatement de la MBD consistait à décrire le comportement mécanique du substitut en regard de son utilisation clinique.Les CSM-GW utilisées pour la cellularisation de la MBD étaient extraites à partir de cordons ombilicaux humains et leur profilage par cytométrie en flux permettait de confirmer la pureté de la population cellulaire. La réponse immunitaire des CSM-GW était quantifiée après une co-culture avec des cellules mononucléées du sang périphérique (PBMC). Le phénotypage des PBMC permettait d’évaluer l’expression des marqueurs immunitaires au contact des MSC-GW, et l’étude du sécrétome, par une méthode immuno-enzymatique (ELISA), quantifiait le relargage des cytokines. La stratégie de cellularisation de la MBD proposée reposait sur le développement de feuillets cellulaires de MSC-GW. La validation du protocole de fabrication des feuillets consistait en la caractérisation du phénotype cellulaire par IHC et l’étude mécanique des feuillets permettait de mesurer leur résistance à la perforation.L’absence de contenu cellulaire et la quantification de l’ADN résiduel de la MBD confirmaient l’efficacité de la décellularisation selon les critères de validation en vigueur. L’ultrastructure et les composants biologiques de la MEC étaient préservés et l'analyse protéomique de la MEC mettait en évidence une complexité protéique. Le traitement de décellularisation n’induisait pas de toxicité de la MBD et le comportement mécanique de la MBD était adapté à son utilisation en tant que substitut œsophagien.La culture des CSM-GW sous forme de feuillets favorisait la cellularisation de la MBD. Une fois ensemencés, les feuillets avaient conservé leur phénotype cellulaire et leur caractéristiques immuno-privilégiées. Un remodelage tissulaire in-vitro était visible ainsi que la formation d’une nouvelle MEC produite par les CSM-GW.Les caractérisations de la MBD obtenue offraient une complexité biologique et un comportement mécanique favorable à son utilisation en tant que substitut œsophagien. La MBD était cellularisable avec des feuillets cellulaires de CSM-GW, pouvant favoriser ainsi l'intégration et le remodelage des tissus.

Upon removal of a portion of the esophagus, the restoration of the digestive continuity involves the surgical creation of an intrathoracic esophagogastric anastomosis. However, postoperative complications such as lung impairments, fistulas, strictures, graft necrosis, and gastroesophageal reflux are reported. The enhancement of surgical procedures for esophageal replacement has made promising progress by the development of a substitute through tissue engineering that utilizes a decellularized biological esophageal matrix (DEM). The primary objective of this study was to optimize the design of porcine DEM and characterize its biological and mechanical properties. The secondary objective was to cellularize DEM using readily available immune-privileged human mesenchymal stromal cells derived from Wharton's jelly (hMSCs-WJ).Esophageal decellularization was performed according to a protocol based on the dynamic perfusion of chemical and enzymatic solutions through the organ lumen. Histological analysis and residual DNA quantification of the DEM were conducted to determine the efficiency of the decellularization protocol. The ultrastructure of the DEM was analyzed using immunohistochemical (IHC) labeling, and the composition of the extracellular matrix (ECM) protein content was described by mass spectrometry. In-vitro cytotoxicity tests of DEM were conducted following ISO 10993-5 standards. The evaluation of suture retention strength, tensile strength, and bursting pressure of DEM aimed to describe the mechanical behavior of the substitute for clinical use.hMSCs-WJ used for DEM cellularization were extracted from human umbilical cords, and their flow cytometry profiling confirmed the purity of the cell population. The immune response of hMSCs-WJ was quantified after co-culture with peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). PBMCs phenotyping assessed the expression of immune markers in contact with hMSCs-WJ, while enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) quantified cytokine release. The proposed DEM cellularization strategy involved the development of cell sheets from hMSCs-WJ. The validation of the cell sheet production protocol involved the characterization of the cellular phenotype by IHC analysis, and the mechanical study of the sheets measured their resistance to perforation.The absence of cellular content and residual DNA quantification in DEM confirmed the efficacy of decellularization according to current validation criteria. The ultrastructure and biological components of the ECM were preserved, and proteomic analysis highlighted protein complexity. Decellularization treatment did not induce DEM toxicity, and the mechanical behavior of DEM was suitable for its use as an esophageal substitute.Culturing hMSCs-WJ as cell sheets promoted the cellularization of the DEM. Once seeded, the sheets retained their cellular phenotype and immune-privileged characteristics. In-vitro tissue remodeling was visible, along with the formation of a new ECM produced by hMSCs-WJ.Characterization of the obtained DEM offered biological complexity and favorable mechanical behavior for its use as an esophageal substitute. DEM was cellularizable with hMSCs-WJ cell sheets, potentially promoting tissue integration and remodeling.