Stratégies pour améliorer la fonctionnalité des cellules souches multipotentes dérivées du stroma de la moelle osseuse en ingénierie tissulaire

Strategies for enhancing stem cells derived from bone marrow stroma functionality for tissue engineering

• Auteur / Autrice : Adrien Moya
• Direction : Hervé Petite, Delphine Logeart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Médecine. Os et articulations
• Date : Soutenance le 14/09/2016
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Hématologie, oncogenèse et biothérapies (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Bioingénierie et Biomécanique Ostéo-articulaires (B2OA) (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Holy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Vanneaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Layrolle, Christophe Chauveau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules stromales mésenchymateuses

Ostéogenèse

Survie cellulaire

Cellules souches multipotentes

Autophagie

Quiescence cellulaire

Ischémie

Génie tissulaire

Mots clés libres

Préconditionnement

Prédifférenciation

Preconditioning

Predifferentiation

Résumé

Les cellules souches multipotentes dérivées du stroma de la moelle osseuse (MSCs) sont des candidates idéales pour des applications en ingénierie tissulaire. Actuellement un grand nombre d’essais cliniques utilisent ces MSCs dans le but de développer des thérapies innovantes. Dans les travaux de cette thèse, nous avons développé deux stratégies de préconditionnement cellulaire dans le but d’optimiser la fonctionnalité des MSCs pour des applications d’ingénierie tissulaire osseuse. La mort massive des MSCs en post-implantation réduit considérablement les bénéfices potentiels de ce type de thérapie. Bien que cette mort massive soit multifactorielle, l’environnement ischémique hostile auquel les cellules doivent faire face une fois implantées semble en être la cause principale. La première stratégie visait à augmenter la survie des hMSCs en conditions ischémiques. Nous avons pu montrer qu’un préconditionnement par quiescence induit une modification du profil métabolique des hMSCs améliorant ainsi leur survie jusqu’à 14 jours dans un modèle d’ischémie in vitro et 7 jours in vivo. Cette modification est caractérisée par (i) une orientation du métabolisme OXPHOS vers un métabolisme glycolytique, et (ii) une activation des voies pro-survie via l’inhibition de mTORC1 et l’activation de l’autophagie. La seconde stratégie visait à induire aux hMSCs un phénotype pro-ostéogène susceptible de favoriser la formation osseuse. Pour cela, les hMSCs ont été prédifférenciées vers la voie adipogénique (AD) ; une voie de différenciation des hMSCs connue pour sa proximité avec la voie ostéogénique. Il s’avère que les hMSCs prédifférenciées (AD+) sont engagées non seulement dans la voie de l’adipogénèse mais aussi dans celle de l’ostéogénèse. Ces hMSCs-AD+ démontrent des potentiels ostéogènes direct et paracrin améliorés, et elles sont capables de former 5-fois plus de tissu osseux in vivo.

Bone marrow stromal derived multipotent stem cells (MSCs) are most suited cells for tissue engineering applications. Nowadays, numerous clinical trials use these MSCs in order to develop new innovative therapies. In the present work, we developed two preconditioning strategies with the aim of improving MSCs functionality for bone tissue engineering. Massive cell death upon implantation drastically reduces the potentials benefits of such MSCs- based therapies. The ischemic hostile environment that cells faces upon implantation is, not the sole, but surely the prime factor responsible for this cell-death. The first strategy aimed at improving hMSCs survival in ischemic conditions. We were able to demonstrate that a quiescence preconditioning induces a modification in the hMSCs metabolic profile thus improving their survival for as long as 14 days in an in vitro ischemic model and 7 days in vivo. This modification is characterized by (i) a shift from an OXPHOS- dependent metabolism towards a glycolytic metabolism, and (ii) activation of pro-survival pathways via mTORC1 inhibition and autophagy activation. The second strategy was to induce a pro-osteogenic phenotype likely favorable for bone formation. To this aim, hMSCs were predifferentiated toward the adipogenic lineage (AD); an hMSCs lineage known to be closely related to the osteogenic one. It appears that predifferentiated hMSCs (AD+) are not only committed towards the adipogenic lineage but also towards the osteogenic one. These hMSCs-AD+ exhibit enhanced direct and paracrine pro-osteogenic potentials, as a result, they are capable of inducing bone tissue formation 5-times more in vivo. These two strategies might enhance the therapeutic outcomes of MSCs-based products for bone tissue engineering applications.