Caractérisation de la zone de transition cartilage / os et développement de bio-encres adaptées à la reproduction de cette zone d'ancrage sous-chondrale dans le traitement des lésions ostéochondrales par ingénierie tissulaire

Characterization of the cartilage/bone transition zone and development of bio-inks adapted to reproduce, by tissue engineering approach, the sub-chondral anchoring zone dedicated to treating osteochondral defects

• Auteur / Autrice : Ghita Sekkat
• Direction : Laurent Galois, Laurent Grossin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 11/06/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioSE - Biologie, Santé, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie Moléculaire, Cellulaire et Physiopathologie (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Sybille Facca
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Galois, Laurent Grossin, Esther Potier, Céline Falentin-Daudré, Pierre Gillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sybille Facca, Esther Potier
• DOI : 10.70675/a09ad9f3z9b7ez49e4zb3a9zd28ad49d3fec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomatériaux

Maladies du cartilage

Ostéochondrite

Génie tissulaire

Mots clés libres

Cellules souches mésenchymateuses

Ingénierie tissulaire

Assise sous chondrale

Lésions ostéochondrales

Bio-Impression

Bio-Printing

Tissue engineering

Osteochondral lesions

Mesenchymal stem cells

Subchondral anchoring area

Résumé

Les articulations synoviales peuvent être le siège de traumatismes qui conduisent au développement de lésions ostéochondrales focales. La réparation spontanée ne permet pas de régénérer un tissu présentant les propriétés fonctionnelles, structurelles ainsi que la qualité du tissu natif, ce qui compromet la durabilité de la réparation à long terme. À l'heure actuelle, les traitements conservateurs servent à améliorer la vie des patients et à atténuer les symptômes. Ils ne permettent pas de freiner le développement de la pathologie ou de régénérer le tissu. Bien que certaines approches chirurgicales aient donné des résultats encourageants à moyen terme, elles restent limitées par des contraintes techniques et une régénération souvent insatisfaisante. Dans ce contexte, l'ingénierie tissulaire (IT) a fait son apparition comme une alternative prometteuse pour la régénération tissulaire. Actuellement, la majorité des stratégies d'IT ciblent principalement la reconstruction du cartilage, négligeant souvent l'interface critique entre cartilage et os : la jonction ostéochondrale (JOC). L'un des principaux défis est de reproduire un implant biomimétique qui respecte l'architecture stratifiée et la complexité biochimique du tissu ostéochondral. Les implants de nouvelle génération doivent non seulement reproduire l'anisotropie du tissu natif, mais également assurer une intégration optimale du tissu de comblement avec l'os sous-chondral sur le site de la lésion. L'impression 3D par bio-extrusion offre un fort potentiel pour la fabrication de substituts multicouches, permettant une impression en une seule pièce avec un contrôle précis de la composition topographique des bio-encres. Le choix du contingent cellulaire est également crucial. Les cellules souches mésenchymateuses issues de la moelle osseuse (CSMs-MO) représentent des candidates de choix grâce à leur capacité de prolifération et de différenciation multiple. Mon projet de thèse vise à développer un substitut ostéochondral pluristratifié imprimé en 3D, destiné à être implanté pour le traitement des lésions ostéochondrales. Ce projet s'inscrit dans le cadre de la médecine régénérative personnalisée, en utilisant les cellules du patient lui-même. Le travail est structuré en deux axes principaux. Le premier axe vise à caractériser davantage l'organisation et la composition de la JOC sur des biopsies de genoux arthrosiques. Cette étude permet de faire le lien entre les données cliniques et les observations histologiques. Cela a pour but de mieux appréhender les modifications spécifiques de cette zone et de mieux choisir la composition des bio-encres. Le second axe porte sur le développement de bio-encres adaptées à la reconstruction en bottom up de l'unité ostéochondrale et leur évaluation in vitro. Ces encres, à base d'alginate, seront enrichies en molécules matricielles (comme le collagène de type I) et/ou en minéraux (comme l'hydroxyapatite), selon la couche ciblée. Chaque composition devra favoriser la différenciation chondrogénique, hypertrophique ou ostéogénique des CSMs-MO, selon la zone à reconstruire. Enfin, un modèle ex vivo d'évaluation fonctionnelle des substituts développés sera mis en place pour tester leur capacité à combler efficacement des lésions ostéochondrales.

Synovial joints can be affected by trauma that leads to the development of focal osteochondral lesions. Spontaneous repair does not allow for the regeneration of tissue with the functional, structural, and qualitative properties of native tissue, which compromises the long-term durability of the repair. Currently, conservative treatments aim to improve patient quality of life and relieve symptoms. However, they do not slow disease progression nor regenerate the damaged tissue. Although some surgical approaches have shown encouraging mid-term results, they remain limited by technical constraints and often unsatisfactory tissue regeneration. In this context, tissue engineering (TE) has emerged as a promising alternative for tissue regeneration. To date, most TE strategies have primarily focused on cartilage reconstruction, often neglecting the critical interface between cartilage and bone: the osteochondral junction (OCJ). One of the main challenges lies in designing biomimetic implants that replicate the stratified architecture and biochemical complexity of the osteochondral tissue. Next-generation implants must not only replicate the native tissue anisotropy but also ensure optimal integration of the engineered tissue with the subchondral bone at the lesion site. 3D bioprinting by bio-extrusion offers strong potential for the fabrication of multilayered substitutes, enabling one-step printing with precise control over the topographic composition of the bioinks. The choice of the cellular component is also crucial. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSCs) are ideal candidates due to their proliferation capacity and multilineage differentiation potential. My PhD project aims to develop a multilayered 3D-printed osteochondral substitute, intended for implantation in the treatment of osteochondral lesions. This project is part of a personalized regenerative medicine approach, using the patient's own cells. The work is structured into two main axes. The first axis focuses on further characterizing the organization and composition of the OCJ using biopsies from osteoarthritic knees. This study aims to link clinical data with histological observations in order to better understand the specific changes occurring in this region and to better guide the formulation of bioinks. The second axis focuses on the development of bioinks adapted to the bottom-up reconstruction of the osteochondral unit and their in vitro evaluation. These alginate-based inks will be enriched with matrix molecules (such as type I collagen) and/or minerals (such as hydroxyapatite), depending on the targeted layer. Each composition will be designed to promote chondrogenic, hypertrophic, or osteogenic differentiation of BM-MSCs, depending on the zone to be reconstructed. Finally, an ex vivo functional evaluation model of the developed substitutes will be implemented to assess their ability to effectively fill osteochondral defects.