Utilisation de cellules souches pulpaires combinées à une matrice de collagène pour la réparation osseuse cranio-faciale

par Anne-Margaux Collignon

Thèse de doctorat en Développement

Sous la direction de Gaël Rochefort.

Soutenue le 15-11-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .


  • Résumé

    La région cranio-faciale est particulièrement vulnérable aux pertes de structures. Sa localisation et sa visibilité font qu'une atteinte entraîne des troubles, aussi bien physiques (alimentation, phonation...) que psychologiques (intégrité de la personne...). Les traitements actuels (régénération osseuse guidée, autogreffe osseuse ou allogreffe) sont particulièrement invasifs et présentent un taux d'échec élevé. Tout cela affecte fortement la qualité de vie du patient. De plus, le coût direct de ces traitements est important pour les systèmes de santé et le patient. Il existe donc un réel besoin de développer des traitements innovants basés sur des approches biomimétiques d'ingénierie tissulaire pour la régénération/réparation osseuse. L'objectif de ce travail est de développer une approche d'ingénierie tissulaire pour la réparation/régénération de tissus osseux cranio-faciaux lésés. Il est basé sur l'utilisation de matrices cellularisées avec des cellules souches mésenchymateuses issues de la pulpe dentaire : les Dental Pulp Stem Cells (DPSCs). De nombreux travaux ont démontré la grande plasticité de ces cellules, qui dérivent initialement de la crête neurale, mais aussi leur rôle trophique dans la réparation de tissus lésés par leur capacité de différenciation ostéogénique et chondrocytaire. Par ailleurs, ces cellules présentent des propriétés pro-angiogéniques supérieures aux cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse (MSCs) et l'accès à cette réserve est aisé puisqu'elles peuvent être obtenues à partir de dents extraites. Dans ce contexte, nous avons à ce jour utilisé des matrices denses de collagène contenant des cellules souches pulpaires pour régénérer un tissu osseux crânien après réalisation de défauts critiques. L'objectif est d'induire très précocement une néo-angiogenèse favorisant à court terme la survie des cellules implantées, puis de stimuler leur maintien à long terme au sein du néo-tissu implanté, pour enfin provoquer une ostéoformation. Nous avons, ainsi, pu étudier et valider différents aspects de cette thématique : .1 L'impact positif de l'utilisation de matrices denses de collagène comme support ostéoconducteur, .2 Le suivi à long terme des cellules après implantation in vivo .3 L'impact positif d'un pré-traitement à l'hypoxie sur i/ la survie des cellules après implantation in vivo ii/ la potentialisation de leur apport pour la régénération/réparation osseuse en orientant leur différenciation vers une voie ostéoblastique, .4 L'apport significatif des techniques d'imageries pour le suivi des animaux grâce à la tomographie par émission de positons (utilisation de traceurs spécifiques de la minéralisation au sein des matrices et de la néo-angiogenèse) et au microscanner à rayons X (suivi cinétique de la qualité et de la quantité de matrice osseuse régénérée), .5 La validation et la confirmation de l'ensemble de ces résultats par l'histologie. Ainsi, ces résultats nous ont permis de répondre à l'objectif de travail et de perfectionner certains aspects de la composante cellulaire. Toutefois, il reste nécessaire d'optimiser le biomatériau lui-même. Il est en effet envisageable d'améliorer les matrices de collagène compressées que nous utilisons actuellement, en y intégrant par exemple des céramiques bioactives. En perspective, potentialiser les biomatériaux des matrices et combiner les DPSCs avec un support plus adapté à leur survie et à leur croissance permettrait d'améliorer considérablement la cicatrisation osseuse. Ces dernières années, l'étude des cellules souches a progressé d'approche in vitro vers l'in vivo. Les modèles in vivo établis pour étudier ces cellules dans le domaine cranio-facial ont déjà apporté des renseignements et ce travail s'inscrit dans leur continuité en cherchant à concevoir des stratégies adaptées pour l'utilisation future des DPSCs en ingénierie tissulaire.

  • Titre traduit

    Use of pulp stem cells combined with a collagen matrix for cranio-facial bone repair


  • Résumé

    The craniofacial area is particularly vulnerable to structural loss. Its location and visibility make a loss causes disorders, both physical (food, phonation...) than psychological (integrity of the person...). Current treatments (autografts, allografts or synthetic bone grafts) are particularly invasive and have a high failure rate. All this strongly affects the quality of life of the patient. In addition, the cost of these treatments is significant for the health systems and the patient. Therefore, there is a real need to develop innovative treatments based on biomimetic tissue approaches for bone repair. The purpose of this thesis is to develop a tissue engineering approach for the repair/regeneration of injured cranial-facial bone tissue. It is based on the use of cellularized scaffolds with mesenchymal stem cells derived from the dental pulp: Dental Pulp Stem Cells (DPSCs). Many studies have demonstrated the high plasticity of these cells, which initially derive from the neural crest, but also their trophic ability in the repair of damaged tissues by their osteogenic and chondrocyte differentiation capacity. Moreover, these cells have better's pro-angiogenic properties than mesenchymal cells of the bone marrow (MSCs) and access to this reserve is easy since they can be obtained from extracted teeth. In this context, we have used dense collagen scaffolds seeded with DPSCs to regenerate cranial bone tissue on critical defects model. The objective is to induce a very early neo-angiogenesis for improved short-term survival of implanted cells, then stimulate the long-term maintenance of cells in the implanted neo-tissue, finally to cause osteoformation. We were able to study and validate various aspects of this theme: 1- The positive impact of the use of dense collagen scaffold as osteoconductive support, 2- Long-term follow-up of the cells after implantation in vivo (thanks to the use of a cell line constitutively expressing an intracellular fluorescence protein), 3- The positive impact of a pre-treatment with hypoxia on i/ the survival of the cells after implantation in vivo ii/ their contribution to bone regeneration / repair by orienting their differentiation towards an osteoblastic pathway, 4- The significant contribution of imaging techniques for the monitoring of animals (less sacrifice and longitudinal follow-up...) thanks to positron emission tomography (use of specific tracers of the mineralization within the scaffolds and neo-angiogenesis) and X-ray microscanner (kinetic monitoring of the quality and quantity of regenerated bone matrix) 5- Validation and confirmation of all these results by histology. Thus, these different results allowed us to respond to the working hypothesis and optimize some aspects of the cellular component. However, it remains necessary to optimize the biomaterial itself. It is indeed possible to improve the compressed collagen scaffolds that we currently use, for example by incorporating bioactive ceramics such as bioglasses or hydroxyapatite. In recent years, the study of stem cells has progressed from in vitro to in vivo. The in vivo models established to study these cells in the craniofacial area have already provided valuable information and this work is a continuation of these previous studies by seeking to build on better strategies (right characterization, environment oriented...) for the future use of DPSCs for tissue engineering purposes. In view of this work, potentiating the biomaterials of the scaffolds and combining the DPSCs with a support more adapted to their survival and their growth would considerably improve bone healing, as well as bone regeneration / repair.

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