Soutenance mémoire
Ce projet de doctorat est né de la collaboration entre deux laboratoires de recherche, l’Institut de Médecine Régénératrice et Biothérapies (IRMB) et le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC). L’IRMB est un institut dont les problématiques touchent majoritairement l’étude des cellules souches, leur biologie et leurs applications thérapeutiques. Les recherches ont pour but de combler des objectifs fondamentaux et applicatifs dans le cadre de maladies chroniques ou liées au vieillissement. Le cartilage articulaire est un tissu largement étudié au sein du groupe “Biologie des cellules souches mésenchymateuses et thérapies du cartilage” dirigé par Danièle Noël. Le LMGC est un laboratoire de Mécanique, notamment des systèmes solides, dont les activités de recherche couvrent un large spectre de thématiques (biomécanique humaine et végétale, milieux granulaires, thermomécanique des matériaux et imagerie, mécanique théorique et numérique, génie civil, assemblages soudés …). L’activité de l’équipe BIOTIC « Biomécanique des Interactions et de l’Organisation des Tissus et des Cellules », dont font partie Pascale Royer, Patrick Cañadas et Simon le Floc’h, a pour objectif la modélisation et la caractérisation mécanique des cellules et des tissus mous humains, la compréhension de leur organisation et de leur croissance ainsi que l’étude et le développement de dispositifs implantables.
Les domaines de compétence de ces deux laboratoires se rencontrent autour du cartilage articulaire (CA). Ce tissu qui recouvre les os longs au niveau des articulations a un rôle mécanique majeur dans le système musculosquelettique. Il permet des mouvements souples et indolores des membres ainsi que la transmission et l’amortissement des forces exercées au niveau des articulations grâce à ses caractéristiques biochimiques et biomécaniques. Cependant, ce tissu montre de faibles capacités de réparation ou régénération lors de lésions traumatiques et se trouve ainsi particulièrement vulnérable avec le vieillissement. D’autre part, les traitements proposés en clinique sont généralement symptomatiques et palliatifs mais non curatifs. Les recherches actuelles portent entre autres sur l’ingénierie tissulaire basée sur la formation de néo-tissus cartilagineux créés à partir de cellules souches/stromales mésenchymateuses adultes (CSMs). Cependant, l’obtention de tissus fonctionnels à long terme est difficile en raison de l’instabilité du phénotype des chondrocytes qui sont responsables de la sécrétion de la matrice extracellulaire spécifique. Une meilleure compréhension des processus de différenciation des CSMs en chondrocytes en interaction continue avec leur environnement biochimique et biomécanique semble donc nécessaire pour limiter la dédifférenciation ou l’hypertrophie des chondrocytes et améliorer ces néo-tissus.
Le cartilage articulaire : structure, comportements, croissance et réparation
Les types de cartilage
Le cartilage est un tissu conjonctif présent dans l’ensemble du corps des vertébrés. Il a un rôle important dans le développement et le maintien de la fonction du système musculo-squelettique. Ce tissu est capable de résister aux forces de compression, tension, cisaillement et torsion qu’il subit. Le cartilage n’est ni innervé, ni vascularisé. Il est composé d’une matrice extracellulaire (MEC) qui est sécrétée puis remodelée par l’unique type de cellules matures du cartilage, les chondrocytes. La concentration en cellules de ce tissu étant relativement faible, c’est de la composition et de l’organisation de la MEC que proviennent majoritairement les fonctions du tissu. Alors que cette MEC est majoritairement composée d’eau, de collagènes et de protéoglycanes (Wachsmuth et al., 2006), l’équilibre entre ces trois composants et le type de collagène peuvent varier d’un tissu cartilagineux à un autre. Ainsi, trois types de cartilage ayant des aspects, propriétés et fonctions différents ont été décrits : le cartilage élastique, le cartilage fibreux et le cartilage hyalin .
Le cartilage élastique, d’apparence opaque et jaunâtre, est le tissu qui subit le moins de contraintes mécaniques. En effet, il a pour rôle le maintien de la forme des structures dans lesquelles il est inclus. On le trouve dans le pavillon de l’oreille, les ailes du nez, la trompe d’Eustache, l’épiglotte ou encore le larynx. C’est le tissu cartilagineux qui contient le plus de cellules. Il est aussi le plus élastique et flexible grâce à la richesse de sa MEC en élastine. Les protéoglycanes et les fibres de collagène de type II, qui n’ont pas d’orientations principales dans ce tissu, permettent de résister aux compressions et tensions.
Le cartilage fibreux ou fibrocartilage, de couleur blanc brillant, est un tissu intermédiaire entre le cartilage hyalin et les tissus conjonctifs fibreux. En effet, il est composé de peu de cellules et de fibres de collagène de type I mais sa MEC est solide et souple. L’organisation anisotrope de ses fibres lui confère une résistance importante aux forces de tension et de cisaillement. Ainsi, on retrouve ce tissu au niveau de la symphyse pubienne, des ménisques, des insertions tendino ligamentaires et il compose l’annulus fibrosus, soit la périphérie, du disque intervertébral (Dusfour, 2018).
Le cartilage hyalin est le tissu cartilagineux le plus abondant. Ce cartilage est translucide, blanchâtre à bleuâtre, lisse et brillant. On parle de cartilage hyalin articulaire lorsqu’il recouvre les os longs au niveau des surfaces articulaires. Les tissus cartilagineux de la sphère Otho-Rhino-Laryngologie (ORL), des voies aériennes et du nucleus pulposus, le cœur du disque intervertébral, appartiennent aux cartilages hyalins non-articulaires. Le cartilage hyalin est riche en protéoglycanes et en fibres de collagène de type II. Cependant, le cartilage articulaire est la structure la plus complexe, divisée en zones où l’orientation préférentielle des fibres de collagène varie. Cette organisation permet au cartilage articulaire de résister aux compressions, tensions, cisaillements issus de l’exercice du poids du corps et des mouvements. Le cartilage non articulaire permet, comme le cartilage élastique, le maintien de la forme de la structure mais avec moins de souplesse. Les fibres de ces tissus sont orientées de manière aléatoire. Le nucleus pulposus est le seul cartilage hyalin non-articulaire à résister aux forces de pesanteur par un gonflement induit par les protéoglycanes et par son association avec l’annulus fibrosus.
La biologie du cartilage articulaire
Le cartilage articulaire (CA) est un tissu conjonctif hautement spécialisé (Hu and Athanasiou, 2003; Sophia Fox et al., 2009; Wachsmuth et al., 2006) qui favorise les mouvements angulaires d’un os par rapport à un autre grâce à sa surface lisse et lubrifiée, et le transfert des forces au niveau des articulations avec un certain amortissement. La relation structure-fonction de ce tissu est primordiale. En effet, ce sont la composition et la structure des constituants de ce tissu qui lui confèrent ses propriétés mécaniques et sa fonction au sein du système musculo-squelettique .
La composition du tissu
Les chondrocytes : l’unique type cellulaire mature
Les chondrocytes représentent 2% du volume du CA. Leur nombre, leur forme et leur taille varient en fonction de leur localisation dans le tissu . Ils sont issus de la différenciation de cellules souches mésenchymateuses embryonnaires et ont pour rôle le maintien de l’homéostasie du tissu par la synthèse et/ou la dégradation de la MEC (Gentili and Cancedda, 2009). La synthèse des protéines impliquées dans la production de la MEC (SOX9, AGG, COL II, COMP, Link) ou dans sa dégradation (MMPs, PGE2, IL-6, IL-11) peut être évaluée par la quantification des ARN messagers (ARNm) correspondants par RT-PCR quantitative (Lekanne Deprez et al., 2002). La détection et la quantification des protéines restent nécessaires mais cette quantification des ARNm est une bonne estimation de l’activité synthétique des cellules.
Les chondrocytes ont un métabolisme majoritairement anaérobie, du fait du faible taux en oxygène qui se trouve dans le cartilage (2-6 %). Chaque cellule développe son propre environnement matriciel, l’espace péricellulaire, avec lequel elle interagit. Des protéines membranaires et des protéines de liaison telles que les intégrines, CD44, la fibronectine, le perlécane ainsi que les complexes biglycane/matriline-1 et biglycane/matriline-3 permettent ces interactions . Du fait de leur faible densité, les chondrocytes n’ont pas de contact direct entre eux mais des échanges par voie paracrine et endocrine peuvent avoir lieu. Les chondrocytes possèdent un faible potentiel de réplication, étant donné leur degré de différenciation, et leur conservation dépend du maintien d’un environnement optimal d’un point de vue biochimique et biomécanique.
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Table des matières
I. Table des matières
II. Liste des Figures et Tableaux
III. Liste des abréviations
IV. Introduction générale
V. Le cartilage articulaire : structure, comportements, croissance et réparation
V.1. Les types de cartilage
V.2. La biologie du cartilage articulaire
V.2.1. La composition du tissu
V.2.2. L’organisation du tissu
V.3. La conception de néo-tissus cartilagineux
V.3.1. Les techniques chirurgicales de réparation du cartilage articulaire
V.3.2. Les substituts sans cellules : recrutement de cellules in vivo
V.3.3. Les substituts avec des chondrocytes ou chondrons : maintien du phénotype chondrocytaire
V.3.4. Les substituts avec des cellules souches : différenciation chondrocytaire
V.3.5. Le micropellet : un modèle de croissance embryonnaire
V.4. Les stades de maturation du cartilage natif
V.4.1. Le développement embryonnaire
V.4.2. La croissance post-natale
V.4.3. L’homéostasie du tissu adulte
V.4.4. Le vieillissement du tissu
V.5. La biomécanique et les outils de caractérisation du cartilage natif et des néo-tissus cartilagineux
V.6. Les stimulations biomécaniques comme facteur de croissance mécanique des néo-tissus cartilagineux
V.6.1. Maintien du phénotype chondrocytaire par stimulation mécanique
V.6.2. Chondrogenèse des cellules souches mésenchymateuses par stimulation mécanique
V.6.3. Réponse des cellules aux stimuli mécaniques par les voies de mécanotransduction
V.7. Objectif des travaux
VI. Contribution à l’évaluation de l’impact de stimulations mécaniques sur la croissance de micropellets de cartilage via le développement d’un dispositif adapté
VI.1. Nouveau dispositif fluidique de stimulation et caractérisation mécanique pour des micropellets de cartilage
VI.1.1. Mise au point d’un dispositif
VI.1.2. Validation des capacités du dispositif à stimuler et caractériser mécaniquement des microsphères
VI.2. L’évaluation de la réponse à court terme des micropellets de cartilage à des stimulations mécaniques
VI.2.1. Culture des cellules souches mésenchymateuses
VI.2.2. Mise en place du protocole de stimulation
VI.2.3. Analyse de l’impact de divers paramètres de stimulation mécanique sur le développement des micropellets à court terme
VII. Conclusions et perspectives
VIII. Bibliographie
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