Prothèse nerveuse artificielle à partir de fibroïne de soie pour la réparation et la régénération de nerfs périphériques

Silk fibroin-based nerve conduits for peripheral nerve repair and regeneration

• Auteur / Autrice : Tony Mickael Dinis
• Direction : Christophe Egles, Frédéric Marin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-Ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux
• Date : Soutenance le 17/10/2014
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérimentation animale

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Organes -- Cultures cellulaires

Cultures cellulaires

Nanofibres

Biopolymères

Génie biomédical

Biocompatibilité

Biomatériaux

Génie tissulaire

Soie

Axone

Médecine régénératrice

Neurobiologie

Nerfs périphériques

Système nerveux -- Régénération (biologie)

Mots clés libres

Electrospinning

Régénération nerveuse

Guide nerveux

Ingénierie tissulaire

Culture cellulaire et organotypique

Médecine régénérative

Neurite

Silk

Electrospinning

Nerve regeneration

Nervous guide

Cell and organotypic culture

Animal experimentation

Tissue engineering

Biomedical materials

Biocompatibility

Nanofibers

Biopolymers

Neurobiology

Résumé

La lésion de nerfs périphériques peut engendrer des déficits moteurs et/ou sensoriels permanents. En dépit des progrès techniques réalisés au cours de ces 25 dernières années, une récupération complète suite à ces lésions n’est pas encore possible aujourd'hui. L’autogreffe nerveuse, toujours considérée comme le standard clinique, est la seule technique capable d’offrir les meilleurs résultats en termes de récupération fonctionnelle. Cependant, la survenue de complications post-opératoires lors d’autogreffes d’un nerf et la quantité limitée de nerfs disponibles conduisent à mettre au point d’autres stratégies alternatives. Dans ce contexte, la mise au point de biomatériaux pour substituts nerveux devient une nécessité clinique. Malgré les efforts de la recherche, ces prothèses ne permettent toujours pas une régénération du nerf à la hauteur de l’autogreffe. Le biomatériau utilisé doit notamment présenter des propriétés physiques et chimiques proches de celui du nerf natif. La soie, aux propriétés mécaniques uniques, représente une bonne alternative pour mettre au point ce type de prothèses. En effet, la protéine de soie déjà utilisée dans le domaine biomédical est biocompatible. Les modifications chimiques de cette protéine améliore et favorise l’adhérence et la croissance cellulaires par l’incorporation de facteurs de croissance ou d’autres molécules d'intérêt. Ce travail de thèse propose de développer un nouveau type de biomatériau à base de soie fonctionnalisée par deux facteurs de croissance : le Nerve Growth Factor (NGF) et le Ciliary NeuroTrophic Factor (CNTF). Étant donné l’architecture complexe qui compose la structure nerveuse, une matrice supportant la repousse des tissus de façon orientée semble primordiale. Nous démontrons, dans un premier temps, le pouvoir de ces nanofibres alignées (produites par electrospinning) à orienter la régénération tissulaire de différents organes par culture d’explants. Les nanofibres de soie alignées, biocompatibles sont bio-activées par ajout de NGF spécifique de la régénération nerveuse. Cette matrice créée présente un gradient de concentration en NGF qui permet d’orienter la repousse axonale en stimulant la croissance axonale dans une seule direction. Afin d’optimiser la croissance de deux populations cellulaires, nous avons incorporé du CNTF pour produire des nanofibres bifonctionnalisées. Ces nanofibres bifonctionnalisées ont conduit à une longueur des neurites 3 fois plus grande à leurs contacts, stimulant la croissance des cellules gliales. Ainsi, nous avons produit des conduits nerveux à base de soie biofonctionnalisée pour implantation chez le rat. Les analyses physico-chimiques et les propriétés mécaniques démontrent le caractère biomimétique de nos tubes de guidage. Les premières études de la locomotion et l’observation de coupes du nerf sciatique de rat, suite à l’implantation de nos conduits donnent des résultats très prometteurs. L’ensemble de ces travaux démontre l’efficacité de nos guides nerveux à base de soie et les présente comme une alternative prometteuse à l’autogreffe nerveuse pratiquée en clinique.

Peripheral nerve injury causes sensory and/or motor functions deficits. Despite technological advances over the past 25 years, a complete recovery from these injuries remains unsatisfactory today. The autograft still considered the "gold standard" in clinical practice. This is the only technique able to offer complete functional recovery. However, the occurrence of postoperative complications in autologous nerve and the limited amount of available nerves lead to develop alternatives strategy.In this context, development of nerve graft substitutes becomes by far a clinical necessity. Despite research efforts, these artificial prostheses design based on biomaterial doesn’t allow nerve regeneration as found in autograft nerve procedures. The biomaterial used must have the physical and chemical properties similar to that of the native nerve. Silk, well known for its unique mechanical properties, proposes a good alternative to develop these prostheses. Indeed, the silk protein is commonly used in the biomedical field and regenerative medicine. This protein biocompatibility may be improved through chemical modifications to promote adhesion and cell growth by the incorporation of growth factors or other molecules of interest. Therefore, this thesis proposes to develop a new type of functionalized silk biomaterial based on two growth factors : Nerve Growth Factor (NGF) and Ciliary NeuroTrophic Factor (CNTF). Given the complex architecture that consists of nerve structure, a matrix which is able to support and manage the outgrowth of tissue becomes essential. We demonstrate the power of these aligned nanofibers (produced by electrospinning) to guide and manage tissue regeneration from different organ explants culture. Aligned silk nanofibers, were biocompatible and bio-activated by adding NGF involved for nerve regeneration. This matrix has been created with a concentration gradient of NGF to guide neuritis outgrowth in only one direction. The presence of this gradient demonstrated a better axonal growth in one direction versus the uniform concentration conditions. Nerve cells consist essentially of two cell populations which are neurons and Schwann cells. To optimize the culture and growth of these two populations, in addition to NGF, we incorporated CNTF to produce bifunctionalized nanofibers. These biofunctionalised nanofibers led to a length 3 times larger on contact with neurites. The glial cells growth, alignment and migration were stimulated by CNTF. Thus, we produced bi-functionalized nerve guidance conduits for rat implantation. The physico-chemical analyzes demonstrate the biomimetic of our guide tubes. Early studies of locomotion and observing histological sections of rat sciatic nerve, following the implementation of our conduits gave very promising results.These studies demonstrate the relevance of our nervous guides’ silk-based developed as an effective alternative to nerve autograft performed in the clinic.