Réponse des ostéoblastes à des stimulations physiques basées sur des contraintes mécaniques basses amplitudes hautes fréquences. Implication en ingénierie tissulaire

par Virginie Dumas

Thèse de doctorat en Biologie moléculaire et cellulaire

Sous la direction de Laurence Vico-Pouget et de Daniel Guyomar.

Le président du jury était Daniel Hartmann.

Le jury était composé de Laurence Vico-Pouget, Daniel Guyomar, Daniel Hartmann, Karine Anselme, Frédéric Mallein-Gérin.

Les rapporteurs étaient Karine Anselme, Frédéric Mallein-Gérin.


  • Résumé

    Les mécanismes par lesquels les charges mécaniques et électriques agissent sur le tissu osseux dans son ensemble, et sur les ostéoblastes, en particulier, sont encore mal compris. La réponse des ostéoblastes soumis à un seul type de stimulus physique a été comparée à celle obtenue par des combinaisons de plusieurs signaux mécaniques et/ou électriques. Dans la perspective d’améliorer l’ostéointégration des biomatériaux, nos études ont porté principalement sur les deux composants essentiels pour le succès de la greffe d’un biomatériau : la matrice extracellulaire (MEC) qui sert d’interface entre le biomatériau et l’hôte ainsi que les facteurs angiogéniques. Nous avons étudié les réponses des ostéoblastes à des contraintes mécaniques complexes basées sur des signaux de « basse amplitude haute fréquence » (BAHF) appliquées à un modèle de culture 3D (hydroxyapatite macroporeux). Nous montrons donc qu’une stimulation mécanique simple (3Hz) peut être potentialisée par des BAHF appropriées (25 Hz). Un dispositif a été développé pour appliquer des contraintes mécaniques très BAHF sur des modèles de culture 2D. La synthèse de la MEC est favorisée et ses propriétés ostéogéniques sont augmentées sous BAHF. Les BAHF n’ont pas d’effet sur le VEGF. Un autre dispositif a permis d’appliquer un champ électrique aux cultures cellulaires. Quelques paramètres nous indiquent que les cellules perçoivent le champ électrique, mais nous retenons que le VEGF n’est pas affecté. En revanche, la combinaison de ces stimulations physiques (contrainte mécanique très BAHF et champ électrique) augmente l’expression de plusieurs facteurs impliqués dans l’angiogénèse (VEGF, TGFβ1, FGF2…). Les sollicitations complexes définies dans cette thèse pourraient être un outil pour fonctionnaliser un substitut osseux cellularisé

  • Titre traduit

    Osteoblasts response to physical stimuli based on mechanical strain low amplitude high frequency. A tool for tissue engineering


  • Résumé

    Over the course of a day, weight bearing bones experience numerous stimulations : mechanical loadings varying in magnitude and frequency, but also electric fields. However, the biological effects of mechanical strain or electrical field on bone cells are poorly understood. In the present in vitro study, osteoblasts were submitted to only one kind of physical stimulus or a combination of stimuli, and the responses were compared. In the perspective of improving the qualities of bone substitute, we analysed parameters essential for a successfull osteointegration : the extracellular matrice (ECM) as host-biomaterial interface, and angiogenic factors which induce implant vascularization. We investigated the effects of complex mechanical strains based on signals of "low magnitude / high frequency" (LMHF) applied to 3D cultures (macroporous hydroxyapatite). Our study shows that an appropriate combined strain regimen (3 Hz+25Hz) has the potential to functionalise cellularized bone-like constructs. ECM synthesis was promoted by LMHF and the osteogenic properties of this ECM were enhanced while VEGF was not affected. Another system was developed to apply an electric field to cell cultures. Some parameters indicated that cells are sensitive to electric fields ; however VEGF expression was not affected. In contrast, when the physical stimulations were combined (LMHF strain + electric field) gene expression of factors implicated in angiogenesis (VEGF, TGFß1, FGF2...) was increased. The complex stimuli whose effects were analysed in this work could be used as a tool for the functionalization of a cellularized bone substitutes


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