Développement de biomatériaux bio- activés et fonctionnalisés par des domaines de la Fibronectine humaine

par Amina BEN ABLA

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Didier Lutomski et de Abdellatif Elm selmi.

Thèses en préparation à Paris 13 , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) depuis le 09-03-2018 .


  • Résumé

    La bio ingénierie des motifs biomimétiques délivrant des signaux spécifiques qui dirigent la fonction cellulaire, en particulier l'adhésion cellulaire médiée par les intégrines, est apparue comme une approche prometteuse pour améliorer les propriétés biologiques des biomatériaux pour l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative. En effet, les biomatériaux osseux et articulaires prennent une importance croissante dans le traitement des maladies de plusieurs maladies et dans le développement des stratégies de l'ingénierie tissulaire. Cependant ils présentent encore de nombreux défis notamment leur bio-intégration. Ces limites sont la résultante de faibles interactions entre la surface de biomatériau implanté et le tissu de l'hote. Ainsi, le développement de nouveaux traitements de surface pour augmenter les propriétés d'ostéointégration des implants sur le long terme occupe une place importante dans les recherches gravitant autour des biomatériaux. Certaines stratégies consistent à immobiliser des biomolécules, telles que des peptides et des protéines de la matrice extracellulaire (MEC), dans le but de créer les interactions désirées avec les protéines d'adhérence cellulaire. Les travaux de cette thèse ont permis le développement de biomatériaux fonctionnalisés par des chimères protéiques comportant des domaines de la fibronectine humaine, une glycoprotéine de la MEC dont la capacité à favoriser l'adhésion des cellules a été largement décrite. La stratégie d'élaboration de ces biomatériaux de nouvelle génération est l'adsorption de ces chimères protéiques à leur surface, accélérant la reconnaissance spécifique des matériaux par les récepteurs cellulaires, permettant leur adhésion de manière sélective et augmentant ainsi les interactions entre le biomatériau et l'organe cible. La première partie de ce travail a porté sur le développement d'un procédé optimisé de production des domaines 9 et 10 de la fibronectine type III (FNIII9/10), impliqués dans l'adhésion cellulaire médié par les intégrines. Plusieurs paramètres ont été étudié afin d'atteindre des niveaux élevés d'expression de FNIII9-10 sous forme soluble ; souche, paramètres d'induction (température d'induction et concentration d'inducteur), agent solubilisant et milieux de culture. Ces travaux ont permis un scale-up des cultures bactériennes en fermenteur. Les fonctions biologiques du fragment produit ont été validées par des tests biochimiques et d'adhésion cellulaire. Ensuite, une matrice adhésive a été conçue par bio fonctionnalisation d'un biomatériau pour la reconstruction osseuses, le poly(e-caprolactone uréthane) (PCLU), par le fragment FNIII9/10 produit. L'adsorption de cette protéine chimérique sur le PCLU a également été étudié et une validation in vitro de cette bio-activation a montré que l'échafaudage construit est un bon support pour l'adhésion et la prolifération cellulaire.  Le design, le clonage et la production de chimères protéiques impliquant d'autres domaines de la fibronectine humaine qui engagent les intégrines ainsi que d'autre éléments de la MEC ont été réalisé et les résultats préliminaires sont encourageantes et offrent d'intéressantes perspectives


  • Résumé

    Bioengineering of biomimetic motifs delivering specific signals that direct cellular function, in particular integrin-mediated cell adhesion, has emerged as a promising approach to improve the biological properties of biomaterials for tissue engineering and regenerative medicine. Biomaterials have emerged as crucial approach in the treatment of bone diseases and in tissue engineering strategies development. However, many challenges remined to overcome in this field especially bio-integration levels. These limitations are the result of reduced interactions at the interface between the implanted material and the host tissue. Thus, the development of new surface treatments to increase the osseointegration properties of implants has emerged as performing alternative. Some strategies try to immobilize biomolecules, such as peptides and proteins of the extracellular matrix (ECM), in order to create the desired interactions with cell surface receptors. The aim of this thesis was to bio functionalize biomaterial with recombinant chimeric proteins, including domains of human fibronectin, a glycoprotein of the ECM which the ability to promote cell adhesion has been widely described. The strategy for the elaboration of these new generation biomaterials is the adsorption of these protein on their surface, accelerating the specific recognition of the materials by the cellular receptors, allowing their adhesion in a selective way and thus increasing the interactions between the biomaterial and the target organ. The first part of this work focused on the development of an optimized process for the production of domains 9 and 10 of fibronectin type III (FNIII9/10), involved in integrin mediated cell adhesion. Several parameters were studied in order to reach high levels of FNIII9-10 soluble expression; strain, induction parameters (induction temperature and inducer concentration), solubilizing agent and culture media were evaluated. This work allowed a scale-up of the bacterial cultures in fermenter. The biological functions of produced fragment were validated by cell adhesion assays. Then, an adhesive matrix was developed by bio functionalization of a bone reconstruction biomaterial (poly(e-caprolactone urethane) (PCLU)), by the FNIII9/10 produced fragment. The adsorption of this chimeric protein on the PCLU was also studied and an in vitro validation of this bio-activation showed that designed scaffold is a good support for cell adhesion and proliferation. Finally, the design, cloning and production of recombinant chimeric proteins involving other domains of human fibronectin that engage integrins as well as other elements of the ECM have been performed and the preliminary results are encouraging and offer interesting perspectives