Caractérisation et optimisation de l'environnement mécanique tridimensionnel des cellules souches au sein des bioréacteurs d'ingénierie tissulaire osseuse

Bone tissue engineering is currently in full development and a growing field of research. The consideration of the mechanotransduction process is a key factor in the optimization of bioreactors. Mesenchymal stem cells (MSC) used in bone tissue engineering are known to be mechanosensitive but our knowledge of the mechanisms of cell response to mechanical stress needs to be improved. This thesis has a double goal: determining the best possible mechanical microenvironment for human MSC, and apply this environment in a bioreactor. To that aim, human MSC were grown in different conditions and subjected to mechanical stresses. Their response was analyzed through osteogenesis markers. A numerical model was also implemented to simulate the flow in bioreactor with a granular scaffold and evaluate levels and distributions of stresses felt by cells. It was shown that cell response to mechanical stress is strongly dependent on the tridimensional environment. This biological and mechanical study highlights tracks of improvement for bioreactors and scaffolds to optimize the mechanical tridimensional environment of cells in bone tissue engineering.L’ingénierie tissulaire osseuse a récemment connu de nouveaux développements grâce à la prise en compte du phénomène de mécanotransduction dans la conception des bioréacteurs. Toutefois, des progrès restent à faire sur nos connaissances sur les mécanismes de la réponse des cellules souches mésenchymateuses (CSM) aux contraintes mécaniques en vue d’optimiser l’environnement mécanique tridimensionnel des cellules dans les bioréacteurs. L’objectif de cette thèse est double : déterminer le meilleur microenvironnement mécanique pour des CSM humaines et appliquer cet environnement au sein d’un bioréacteur. Pour cela, des CSM humaines ont été cultivées dans différentes conditions et soumises à des contraintes mécaniques. Leur réponse a été analysée via des marqueurs précoces de l’ostéogénèse. En parallèle, un modèle numérique a été développé pour simuler l’écoulement dans un bioréacteur à scaffold granulaire et déterminer le niveau et la répartition des contraintes ressentis par les cellules. Il a été mis en évidence que la réponse des cellules à une stimulation mécanique dépend très fortement de son environnement tridimensionnel. Ce travail à la fois mécanique et biologique permet de dégager des pistes d’amélioration des bioréacteurs et des scaffolds en vue de l’optimisation de l’environnement mécanique tridimensionnel des cellules en ingénierie tissulaire osseuse

Mechanical alterations of the bone-cartilage unit in a rabbit model of early osteoarthrosis

International audienc

Caractérisation et optimisation de l'environnement mécanique tridimensionnel des cellules souches au sein des bioréacteurs d'ingénierie tissulaire osseuse

Les cellules souches mésenchymateuses utilisées en ingénierie tissulaire osseuse sont sensibles aux contraintes mécaniques, particulièrement au cisaillement. Il est donc possible d'optimiser leurs conditions de culture (géométrie des scaffolds, flux) pour stimuler les cellules au sein des bioréacteurs. Pour cela, une étude numérique de dynamique des fluides a été réalisée sur différents types de scaffolds granulaires. Elle a montré que ces scaffolds ont une efficacité équivalente à ceux de la littérature pour convertir le flux de milieu de culture en stimulation mécanique. Ces résultats numériques ont ensuite été mis en ?uvre expérimentalement. Les expériences ont montré le rôle fondamental de la nature du biomatériau utilisé comme scaffold ainsi que de l'environnement tridimensionnel

Characterizing and optimizing the 3D mechanical environment of stem cells in bone tissue engineering bioreactors

L’ingénierie tissulaire osseuse a récemment connu de nouveaux développements grâce à la prise en compte du phénomène de mécanotransduction dans la conception des bioréacteurs. Toutefois, des progrès restent à faire sur nos connaissances sur les mécanismes de la réponse des cellules souches mésenchymateuses (CSM) aux contraintes mécaniques en vue d’optimiser l’environnement mécanique tridimensionnel des cellules dans les bioréacteurs. L’objectif de cette thèse est double : déterminer le meilleur microenvironnement mécanique pour des CSM humaines et appliquer cet environnement au sein d’un bioréacteur. Pour cela, des CSM humaines ont été cultivées dans différentes conditions et soumises à des contraintes mécaniques. Leur réponse a été analysée via des marqueurs précoces de l’ostéogénèse. En parallèle, un modèle numérique a été développé pour simuler l’écoulement dans un bioréacteur à scaffold granulaire et déterminer le niveau et la répartition des contraintes ressentis par les cellules. Il a été mis en évidence que la réponse des cellules à une stimulation mécanique dépend très fortement de son environnement tridimensionnel. Ce travail à la fois mécanique et biologique permet de dégager des pistes d’amélioration des bioréacteurs et des scaffolds en vue de l’optimisation de l’environnement mécanique tridimensionnel des cellules en ingénierie tissulaire osseuse.Bone tissue engineering is currently in full development and a growing field of research. The consideration of the mechanotransduction process is a key factor in the optimization of bioreactors. Mesenchymal stem cells (MSC) used in bone tissue engineering are known to be mechanosensitive but our knowledge of the mechanisms of cell response to mechanical stress needs to be improved. This thesis has a double goal: determining the best possible mechanical microenvironment for human MSC, and apply this environment in a bioreactor. To that aim, human MSC were grown in different conditions and subjected to mechanical stresses. Their response was analyzed through osteogenesis markers. A numerical model was also implemented to simulate the flow in bioreactor with a granular scaffold and evaluate levels and distributions of stresses felt by cells. It was shown that cell response to mechanical stress is strongly dependent on the tridimensional environment. This biological and mechanical study highlights tracks of improvement for bioreactors and scaffolds to optimize the mechanical tridimensional environment of cells in bone tissue engineering

In vitro 3D bone tissue models, from cells to controlled and dynamic environment

International audienceMost of our knowledge of bone cell physiology is derived from experiments carried out in vitro on polystyrene substrates. However, these traditional monolayer cell cultures do not reproduce the complex and dynamic 3-dimensional (3D) environment experienced by cells in vivo. Thus, there is a growing interest in the use of 3D culture systems as tools for understanding bone biology. These in vitro engineered systems, less complex than in vivomodels, should ultimately recapitulate and control the main biophysical, biochemical and biomechanical cues that define the in vivo bone environment, while allowing their monitoring. This review focuses on state of the art and the current advances in the development of 3D culture systems for bone biology research. It describes more specifically advantages related to the use of such systems, and details main characteristics and challenges associated with its three main components, i.e. scaffold, cells and perfusion bioreactor systems. Finally, future challenges for non-invasive imaging technologies are addressed

Etude numérique de l'environnement micromécanique des cellules souches mésenchymateuses dans un bioréacteur d'ingénierie tissulaire osseuse

International audienceLes cellules souches mésenchymateuses utilisées en ingénierie tissulaire osseuses sont sensibles aux contraintes mécaniques, particulièrement au cisaillement. Il est donc nécessaire d'optimiser la géométrie des scaffolds et le flux utilisés pour stimuler les cellules lors des cultures. Pour cela, une étude numérique de dynamique des fluides a été réalisée sur différents types de scaffolds granulaires. Elle a montré que ces scaffolds ont une efficacité équivalente à ceux de la littérature pour convertir le flux de milieu de culture en stimulation mécanique

Mechanical alterations of the bone-cartilage unit in a rabbit model of early osteoarthrosis

International audienc