La bio-impression assistée par laser de fibroblastes : contrôler l’organisation du collagène pour l’ingénierie tissulaire de la peau

Laser-assisted bioprinting of fibroblasts : controlling collagen organization for skin tissue engineering

• Auteur / Autrice : Camille Douillet
• Direction : Jean-Christophe Fricain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 11/06/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bioingénierie tissulaire
• Jury : Président / Présidente : Patricia Rousselle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Fricain, Patricia Rousselle, Lucie Germain, Christophe Egles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucie Germain, Christophe Egles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie tissulaire

Collagène

Fibroblastes

Peau artificielle

Bioimpression

Mots clés libres

Bio-Impression assistée par laser

Derme

Fibroblastes

Myofibroblastes

Collagène

Ingénierie tissulaire

Laser-Assisted bioprinting

Dermis

Fibroblasts

Myofibroblasts

Collagen

Tissue Engineering

Résumé

La peau constitue la première ligne de défense du corps et entretient ainsi des fonctionsvitales. En ingénierie tissulaire, les sciences de l’ingénieur sont appliquées à la biologie pourfabriquer des peaux in vitro. La bio-impression 3D a dernièrement révolutionné les moyens pourassembler et organiser de tels tissus. En particulier, la bio-impression assistée par laser (LAB)procure une haute résolution tout en préservant la viabilité cellulaire. Les modèles bio-imprimés,déjà utilisés pour remplacer l’expérimentation animale, sont davantage développés en cliniquepour réparer des plaies profondes traumatiques ou pathologiques. Le derme, majoritairementabsent des substituts cliniques actuels, confère à la peau ses propriétés mécaniques et structurelles.L’homéostasie matricielle du derme est assurée par les fibroblastes et est essentielle à la formationde l’épiderme. Dans la cicatrisation, ces cellules se différencient en myofibroblastes pour sécréteret remodeler la matrice extracellulaire qui referme la plaie. Ces travaux de thèses abordent lesenjeux de la bio-impression assistée par laser de fibroblastes et myofibroblastes sur collagènepour l’ingénierie tissulaire de dermes.Les paramètres clefs de l’organisation par LAB de fibroblastes sur collagène ont d’abord étéidentifiés. Les différents facteurs influençant le comportement des fibroblastes ont été étudiésafin de contrôler la maturation des motifs bio-imprimés. Deux populations de fibroblastes etmyofibroblastes ont été établies afin de prendre en compte la variété des comportements cellu-laires et d’auto-organisations des modèles bio-imprimés. Ces phénotypes étaient biologiquementpertinents de par leurs différents mécanismes d’interaction avec la matrice extracellulaire. En effet,l’organisation par LAB des deux populations sur collagène a permis l’émergence de remodelagesmatriciels distincts, tels que la contracture du collagène par les myofibroblastes ou l’orientationde la matrice par les fibroblastes. En contrôlant le phénotype, la distribution des cellules parLAB, et l’environnement matriciel 2D ou 3D, la répartition des tensions cellulaires dans lamatrice a engendré différentes réorganisations du gel de collagène à l’échelle tissulaire. Enfin,ces mécanismes de remodelage du collagène ont été mobilisés dans le cadre de la biofabricationde dermes par LAB. En fin de maturation, la réorganisation du collagène par les cellules a étéaffectée par le phénotype initial des fibroblastes bio-imprimés. En retour, la différenciation desfibroblastes en myofibroblastes dans les dermes en maturation a pu être contrôlée en modifiantles motifs de bio-impression LAB.Pour la biofabrication de peau, les déformations du collagène et les différenciations enmyofibroblastes pourraient être utilisées pour ajuster les épaisseurs respectives des dermes et desépidermes. Dans le domaine de la bio-impression, l’étude des interactions réciproques entre celluleset matrices, au cours du temps et à différentes échelles, permet le développement d’approches 4Dprometteuses pour contrôler l’émergence d’organisations tissulaires complexes in vitro.

Skin is the outermost protective barrier of the human body, preserving organs andtheir vital functions. In tissue engineering, engineering sciences are applied to the field ofbiology in order to build in vitro skin constructs. Lately, 3D bioprinting has revolutionizedthe way to design and assemble such biological tissues. In particular, laser-assisted bioprinting(LAB) allows to position cells with high resolution and high cellular viability. Skin bioprintedmodels are already used to replace animal experiments and are further being developed toanswer clinical needs for traumatic or pathological wound healing. The dermis remains mostlyoverlooked in current clinical constructs while it is responsible for skin mechanical propertiesand structure. Homeostasis of the dermal matrix is supported by fibroblasts and is fundamentalfor epidermis formation. In wound healing, fibroblasts differentiate into myofibroblasts, secretingand remodeling the extracellular matrix to close the lesion. The following thesis addresses thestakes of laser-assisted bioprinting fibroblasts and myofibroblasts on collagen for dermal tissueengineering.Key parameters of fibroblast organization by LAB have been identified first. Various factorsimpacting fibroblast behavior were studied to better control the maturation of bioprinted patterns.Distinct populations of fibroblasts and myofibroblasts have been established to consider thevariety of cellular behaviors and self-organizations of bioprinted models. Both phenotypes werebiologically relevant as they involve different mechanisms of interactions with the matrix. Indeed,LAB organization of the populations on collagen gave rise to distinct matrix remodeling, suchas collagen contracture by myofibroblasts or lattice orientation by fibroblasts. By controllingfibroblast phenotypes, their organization with LAB, and the 2D or 3D matrix environment,various distributions of cell-generated tensions led to different tissue-scale collagen reorganizations.Finally, such mechanisms of collagen remodeling have been leveraged for dermis biofabricationwith LAB. At the end of dermis maturation, collagen reorganization by cells were impacted bythe initial bioprinted phenotypes. In turn, fibroblast differentiation into myofibroblasts could befurther modulated in dermis by adjusting LAB initial patterning.In the context of skin biofabrication, collagen deformations and myofibroblast differentiationcould be used to increase dermis and epidermis thickness respectively. In the field of bioprinting,reciprocal interactions between cells and matrix, over time and at different scales, could pave theway for 4D approaches to control the emergence of complex tissue structures in vitro.