Hydrogels multi-fonctionnels à base d'acide hyaluronique pour le contrôle de l'adhésion, la prolifération et la différentiation de cellules souches neuronales

par Dominte Tarus

Thèse de doctorat en Sciences des Polymères

Sous la direction de Rachel Auzély-Velty et de Anna Szarpak-Janjowska.

Le président du jury était Marc Block.

Le jury était composé de Marcy Zenobi-Wong.

Les rapporteurs étaient Daniel Grande, Catherine Le Visage.


  • Résumé

    RésuméLes lésions du cerveau sont un problème médical majeur, celui-ci possédant des ressources limitées pour la guérison. Les patients souffrent souvent des déficiences graves et durables, dégradant leur qualité de vie et imposant des couts importants. Des thérapies qui visent l'implantation des cellules souches neurales supportées par un biomatériau qui imite la matrice extracellulaire du cerveau sont en développement. L’ECM du cerveau a une teneur élevée en acide hyaluronique (HA). Ce glycosaminoglycane possède la biocompatibilité et l'activité biologique requises par les applications avec des cellules souches neurales.Nous avons développé des hydrogels à base de HA, possédant des propriétés mécaniques et des densités en peptide d’adhésion cellulaire (GRGDS) contrôlées, pour l'étude in vitro de la différenciation de cellules souches neurales en neurones. L'analyse de neurites en 3-D par microscopie biphotonique a montré une excroissance accrue et une densité élevée des neurites dans les hydrogels les plus élastiques (G '= 400 Pa), combinées avec l'existence d'un optimum dans l'extension des neurites en fonction de la densité des ligands dans le cas des hydrogels contenant des GRGDS. La croissance des neurites relève vraisemblablement d’une combinaison d’interactions adhésives cellule-HA, cellule-GRGDS, et cellule-molécules extracellulaires secrétées.Par la suite la dégradabilité enzymatique des hydrogels de HA a été étudiée. Les hydrogels de HA se dégradent sous l'effet de l'enzyme hyaluronidase suivant un modèle mono-exponentiel, ce qui correspond à une population homogène de chaînes de HA clivables. Les hydrogels avec des modules d'élasticité plus élevés, montrent des vitesses de dégradation enzymatique plus faibles. Le remplacement de l'agent de réticulation PEG-bis(thiol) pour un polymère HA-(SH)3 clivable par voie enzymatique conduit à une réduction du temps nécessaire à la dégradation complète des hydrogels.Dans un troisième temps, nous avons développé des gels de héparosane sans activité biologique qui pourraient révéler une meilleure compréhension du rôle joué par le HA dans la différentiation des NSCs et dans l’extension des neurites. Nous avons montré que le CD44 joue un rôle mesurable dans le processus d'adhésion des cellules MEF. Il existe d'autres procédés par lesquels ces cellules peuvent adhérer sur les hydrogels d’héparosane, cependant la force de ces interactions est plus faible.

  • Titre traduit

    Multi-functional hydrogels based on hyaluronic acid to control adhesion, growth and differentiation of neural stem cells


  • Résumé

    AbstractDamage caused to the central nervous system (CNS) is a major medical concern. As the CNS has limited ability to regenerate its damaged cells, patients can suffer from serious and long-term disabilities and impairments, which put strains on public healthcare systems. Therapies that aim to implant neural stem cells together scaffolds that mimic the extracellular matrix of the brain are being developed. Hyaluronic acid is an important component of the brain ECM. This glycosaminoglycan possesses the required biocompatibility and bioactivity for use in neural stem cells applications.We have developed HA-based hydrogels with controlled mechanical properties and cell adhesion peptide (GRGDS) densities for the in vitro study of neural precursor cells’ differentiation into neurons. The analysis of neurite outgrowth in 3-D by two-photon microscopy showed an increased outgrowth and density of neurites in the softest hydrogels (G’ = 400 Pa), combined with the existence of an optimum in neurite outgrowth as a function of ligand density in the case of hydrogels containing GRGDS. Neurite outgrowth in these hydrogels most likely involves a combination of adhesive interactions between cell-HA, cell-GRGDS moieties, and cell-secreted extracellular molecules.The enzymatic degradability of HA hydrogels was then investigated. The HA hydrogels degrade under the effect of the Hyaluronidase enzyme following a mono-exponential model, corresponding to a homogenous population of cleavable HA polymer chains. Hydrogels with higher elastic moduli have progressively lower enzymatic degradation rates. The substitution of the PEG-bis(thiol) crosslinker by an enzymatically cleavable HA-(SH)3 polymer led to a reduction in the time required for the complete degradation of the hydrogels.Finally we developed heparosan hydrogels that are devoid of biological functions and thus provide better insight into the role of HA in NSCs differentiation and neurite outgrowth. We showed that CD44 plays a measurable role in the adhesion process of MEF cells. There are alternative processes through which cells can attach to the heparosan hydrogels however the strength of these adhesions is weaker. Heparosan is a viable biomaterial for hydrogel synthesis that does not interact with the CD44 receptor, resulting in lower cellular adhesions.

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