Rôle des macroarchitectures de biomatériaux sur la biomécanique intra- et extracellulaire etl'ostéogenèse des hMSC : application aux matériaux bioinstructifs pour la régénération des défauts osseux

Role of Scaffolds macroarchitectures on Intra- and Extracellular biomechanics and osteogenesis of hMSCs: application to bioinstructive materials for large bone defects regeneration [RoSIE]

• Auteur / Autrice : Ghalia Kaouane
• Direction : David Eglin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2024
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : SIS - Sciences Ingénierie Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SAINBIOSE - SAnté INgéniérie BIOlogie Saint-Etienne

Mots clés

Mots clés libres

Modèle in vitro

Culture cellulaire 3D

Biomatériaux

Biologie de l'os

Imagerie Biologique

In vitro model

3D cell culture

Biomaterials

Bone biology

Biological Imaging

Résumé

Les limites des produits commerciaux disponibles pour aider à la régénération des grands défauts osseux ont montré la nécessité de développer une nouvelle génération de dispositifs médicaux implantables : des matériaux bioinstructifs. Il est aujourd'hui connu que les cellules peuvent ressentir des signaux mécaniques de géométries plus grandes que leur propre taille (>100µm). Leur réponse aux topographies supra-cellulaire est régulée par l'interaction entre leur cytosquelette, leur noyau et la matrice extracellulaire environnante. L'objectif du projet RoSIE est de comprendre l'influence de l'architecture du biomatériau à l'échelle supra-cellulaire sur la biomécanique intra et extracellulaire, et leur rôle sur l'ostéogenèse. Pour atteindre cet objectif, des cellules souches mésenchymateuses humaines seront cultivées dans des biocéramiques à base d'hydroxyapatite conçues spécifiquement pour répondre aux questions scientifiques de ce projet. Après ensemencement, la relation entre la zone de contact cellule-cellule et le taux de croissance de la matrice extracellulaire sera étudiée. Pour mieux comprendre le rôle des motifs macroarchitecturaux sur la croissance de la matrice extracellulaire et les mécaniques intra et extracellulaire tout au long de la culture, les caractéristiques des fibres d'actine et de collagène seront notamment analysées à partir d'images segmentées obtenues par microscopie à feuillet de lumière. Enfin, la relation entre la tension du cytosquelette intracellulaire et la différenciation cellulaire sera examinée. RoSIE propose un modèle de culture in vitro 3D capable d'aider à identifier certains mécanismes clés régulant le devenir des cellules dans les biomatériaux macroarchitecturés; des connaissances cruciales pour comprendre comment affiner la macroarchitecture/macroporosité des implants afin de leur conférer des propriétés bioinstructrices.

The limitations of commercially available products to help regenerate large bone defects have highlighted the need to develop a new generation of implantable medical devices: bioinstructive materials. It is now known that cells can sense mechanical signals from geometries larger than their own size (>100µm). Their response to supra-cellular topographies is regulated by the interaction between their cytoskeleton, nucleus and surrounding extracellular matrix. The aim of the RoSIE project is to understand the influence of biomaterial architecture at the supra-cellular level on intra- and extra-cellular biomechanics, and their role in osteogenesis. To achieve this objective, human mesenchymal stem cells will be cultured in hydroxyapatite-based bioceramics specifically designed to answer the scientific questions of this project. After seeding, the relationship between cell-cell contact zone and extracellular matrix growth rate will be investigated. To better understand the role of macroarchitectural patterns on extracellular matrix growth and intra- and extracellular mechanics throughout culture, the characteristics of actin and collagen fibers will be analyzed using segmented images obtained by light sheet microscopy. Finally, the relationship between intracellular cytoskeletal tension and cell differentiation will be examined. RoSIE proposes a 3D in vitro culture model capable of helping to identify some of the key mechanisms regulating cell fate in macroarchitected biomaterials; knowledge crucial to understanding how to fine-tune the macroarchitecture/macroporosity of implants to confer bioinstructural properties.