Lego-assemblage d'hydrogels multifonctionnels pour la réparation de cartilages via des cellules souches mésenchymateuses

par Laurine Valot

Projet de thèse en Ingénierie Biomoléculaire

Sous la direction de Gilles Subra et de Ahmad Mehdi.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec IBMM - Institut des Biomolécules Max Mousseron (laboratoire) et de F9. Acides Aminés, Hétérocycles, Peptides & Protéines (equipe de recherche) depuis le 03-10-2016 .


  • Résumé

    Le projet LEGOGEL repose sur une technologie permettant de préparer ‘'à la carte'' des hydrogels multifonctionnels biomimétiques dont la composition peut être choisie pour mimer la complexité et la diversité des matrices extracellulaires. L'approche repose sur la synthèse de blocs hybrides originaux, qui comportent une partie biomoléculaire (peptides bioactifs, biopolymères…) et une ou plusieurs fonctions trialcoxysilane. Les gels sont obtenus par un procédé sol-gel parfaitement compatible avec la stabilité des biomolécules et pouvant s'effectuer en présence de cellules. Les hydrogels seront conçus à des fins de thérapie cellulaire, en particulier pour promouvoir la réparation du cartilage articulaire en permettant la différenciation ciblée des cellules souches mésenchymateuses en chondrocytes et en ostéoblastes. La première partie du travail consiste en la synthèse de blocs hybrides. Des biopolymères hybrides (collagène et acide hyaluronique) assureront la formation d'une structure tridimensionnelle biomimétique; des facteurs de croissance et des peptides chemo attractants pourront stimuler la colonisation et la différenciation cellulaire. Une fois ces blocs obtenus, des hydrogels seront préparés et caractérisés. Ils seront optimisés au regard de leurs propriétés biologiques, structurales et mécaniques. L'approche proposée est extrêmement modulable et n'importe quelle combinaison de blocs hybrides en concentrations appropriées pourra être utilisée, permettant d'ajuster ces propriétés. Des séquences peptidiques sensibles aux protéases peuvent être introduites pour moduler la dégradation des gels et permettre ainsi une libération contrôlée de certains facteurs. Dans un premier temps la solution colloïdale pourra être utilisée pour se gélifier après injection in vivo. Elle pourra ensuite être utilisée pour la biofabrication par impression 3D d'un support implantable. Les hydrogels optimisés contenant des cellules souches mésenchymateuses (CSM) seront étudiés in vitro et in vivo. Les CSM seront introduites avant gélification et les hydrogels obtenus seront évalués in vitro pour leur biocompatibilité, biodégradabilité, propriétés chondro- et osteo inductrices et propriétés mécaniques. Enfin, une étude chez la souris après implantation sous cutanée permettra de finaliser le projet.

  • Titre traduit

    Lego-like method to access multifonctional hydrogels for mesenchymal stem cell-based cartilage repair


  • Résumé

    LEGOGEL is a multidisciplinary project built on the complementary expertise of three research teams specialized in the design of bioactive molecules, the sol-gel inorganic chemistry and the design of functional hybrid materials and cell therapy strategies for osteo-articular diseases. Legogel proposes a ground-breaking technology to obtain multifunctional hydrogels whose composition could mimic the complexity and the diversity of extracellular matrices. This is of high importance to design hydrogels suitable for cell-based therapies. The approach relies on the synthesis of original and patented ‘hybrid' building blocks comprising a biomolecular moiety (peptide ligands for cell adhesion, differentiation factors, collagens, hyaluronic acid…) and one or several alkoxysilane groups whose position within the biomolecule is perfectly controlled. The hybrid blocks (i.e. the ‘lego' parts) react together chemo selectively to form a hydrogel. This sol-gel process proceeds in water, at 37°C without any cross-linking reagent nor toxic chemical thus being fully compatible with the stability of biomolecule and the presence of cells. The hydrogels prepared in the frame of Legogel are designed to tackle tissue engineering issues, in particular to promote cartilage regeneration. The hydrogel will induce targeted differentiation of mesenchymal stem cells (MSC) into chondrocytes. The first part of the work is dedicated to the synthesis of hybrid blocks. It includes hybrid biopolymers (hyaluronic acids and collagens) to form the backbone of the three dimensional biomimetic structure, bioactive peptides (e.g. peptides promoting cell adhesion, extracellular matrix production…) and contrast agents to visualize and to study the degradation of the gels. The materials will be optimized for their mechanical, structural and biological properties. The Legogel approach is highly versatile and any combination of hybrid block in appropriate concentrations can be used, to finely tune these properties. As an example, peptide sequence sensitive to enzymatic degradation can be introduced to modulate the degradability of the gels and to enable the controlled release of factors immobilized covalently in the gel. Interestingly, the mixture of bioorganic blocks as a liquid will allow their use in two different ways. On one hand, this solution could be used, turning into a gel after in vivo injection. On the other hand this solution can be used as a bio-ink to be 3D-printed for the bio fabrication of a porous scaffold. This scaffold will be used to treat full thickness cartilage lesion thanks to a multifunctional bilayer favoring the superimposed cartilage on bone formation. MSC will be poured inside the liquid solution before gelation and the hydrogels or the imprinted scaffolds will be studied in vitro for their biocompatibility, biodegradability, and their chondro-s or osteo-inductive properties. At last, gels and scaffolds will be implanted in the mouse and the in vivo formation of neotissues will be controlled by immunohistological and RT-PCR analyses. Legogel project proposes a rupture technology to craft biomimetic gels. Universal, simple and avoiding the use a chemical reagents for reticulation and functionalization of gels, this method is likely to unlock numerous applications in the fields of cell therapy and tissue engineering.