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Thèse Année : 2013

GEOMETRISCHE STEUERUNG VON GEWEBEWACHSTUM UND – ORGANISATION

GEOMETRIC CONTROL OF TISSUE GROWTH AND ORGANISATION

Contrôle géométrique de la croissance et de l’organisation des tissus

Résumé

Gewebsbildung ist ein wichtiger Prozess für die Entstehung und Aufrechterhaltung unserer Organe. Die verschiedenen Gewebe unseres Körpers werden kontinuierlich von Zellen aufgebaut, umgebaut und repariert, beispielsweise während Morphogenese, Wundheilung oder Knochenumbau. Obwohl diese biologischen Prozesse genetisch codiert sind, spielen auch die biochemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften der Umgebung eine wichtige Rolle bei der Gewebebildung und ermöglichen den Zellen, ihre Aktivität den externen Anforderungen anzupassen. Beispielsweise werden Muskel- und Knochenaufbau durch sportliche Aktivitäten verstärkt. Andererseits können Fehler im Gleichgewicht des Knochenumbaus die mechanische Funktion des Organs beschädigen, etwa bei Osteoporose. Indem wir verstehen, wie Gewebewachstum gesteuert wird, können wir viele biologische Prozesse und damit verbundene Krankheiten besser erklären. Trotz des kontinuierlichen Umbaus bleiben die geometrischen Eigenschaften von Organen wie etwa Knochen grundsätzlich erhalten. Geometrie wurde deswegen als ein mögliches Signal für die Kontrolle der Gewebsbildung vorgeschlagen. Es wurde bereits gezeigt, dass dieser physikalische Parameter biologischen Mechanismen auf subzellulärer, zellulärer und mehrzelliger Ebene beeinflussen kann. Über die Rolle von Geometrie auf der Gewebeskala ist jedoch bis jetzt nur ein wenig bekannt. Diese Arbeit zielt daher darauf ab zu verstehen, wie die Geometrie eines Substrats die Bildung und Organisation von Knochengewebe beeinflusst. Osteoblasten wurden kultiviert, um Knochengewebe im dreidimensionalen Gerüsten aus Hydroxyapatit in-vitro wachsen zu lassen. Parallel dazu wurde die Hypothese „die Geometrie einer Oberfläche beeinflusst die lokale Gewebsbildung“ in ein Rechenmodell für krümmungsabhängiges Wachstum umgesetzt. Ein Vergleich der experimentellen und simulierten Wachstumsmuster zeigt nicht nur die Relevanz des geometrischen Modells für die quantitative Beschreibung des Gewebewachstums auf komplexen Oberflächen, sondern auch, dass durch Optimierung der Geometrie des Substrats eine schnellere Gewebebildung erzielt werden kann. Außerdem wurde mathematisch bewiesen, dass ein einfaches Anlagern linearer dehnbarer Elemente, die für längliche kontraktile Zellen stehen - das sogenannte Sehnenmodell - äquivalent zu krümmungsabhängigem Wachstum ist. Eine qualitative Analyse der Zellorganisation im Gewebe unterstützt die biologische Relevanz dieses geometrischen Modells. Eine Ausweitung der strukturellen Untersuchungen auf die extrazelluläre Matrix hat zusätzliche Erkenntnisse zu den Mechanismen geliefert, die an der Gewebestrukturierung und -organisation beteiligt sind. Beispielsweise wurde gezeigt, dass die mechanische Spannung, die durch die Zellen aufgebaut wird, essentiell für die Organisation der Fibronektin und Kollagenfasern und ganz allgemein für die mechanische Stabilität des Gewebes ist. Schließlich wurde ein Computermodell des Wachstums in Abhängigkeit von der mittleren Krümmung der dreidimensionalen Oberfläche vorgeschlagen, um das aktuelle experimentelle System besser zu beschreiben und um zukünftige Untersuchungen über den Einfluss der dritten Dimension zu motivieren. Ein besseres Verständnis, wie Geometrie an der Gewebsbildung beteiligt ist, ist nicht nur interessant für die biomedizinische Forschung, sondern ist auch eine wichtige Inspirationsquelle für Tissue Engineering.
Tissue formation is a key process for the genesis and the maintenance of our organs. As in morphogenesis, wound healing and bone remodelling, the various tissues of our body are continuously modelled, remodelled and repaired by the cells. Even if these biological processes are encoded in genetics, the biochemical composition and the physical cues of the surroundings also play a major role in tissue formation and enable cells to adapt their activity in response to external stimuli. For example, muscle and bone formation is enhanced in individuals practicing physical activities. On the other hand, a failure in the balance of bone remodelling can impair the mechanical function of the organ like in osteoporosis. Understanding how tissue formation is controlled is thus determining to clarify many biological processes and their associated pathologies. The geometrical features of organs like bones are generally conserved despite a continuous remodelling. As geometry also sets the boundary conditions for the mechanical environment that cells respond to, geometry has been proposed as a potential cue controlling tissue formation. This physical parameter has been shown to influence biological mechanisms at the sub-cellular, cellular and multi-cellular levels, but only a little is known about the tissue scale. This thesis aims therefore at understanding how the geometry of a substrate influences the deposition and organisation of tissue. Osteoblasts were cultured to grow bone tissue in three-dimensional hydroxyapatite scaffolds in-vitro. In parallel, the hypothesis that geometry locally influences tissue deposition on a surface was implemented into a computational model of curvature-driven growth. Comparing the experimental and simulated growth patterns not only confirmed the relevance of the geometrical model to describe quantitatively tissue growth on complex surfaces, but also proved that faster tissue formation can be obtained by optimising the geometry of the substrate. Moreover, a simple construction assembling tensile elements that represent elongated contractile cells – the chord model – was demonstrated to be equivalent to the curvature-driven growth simulation. A qualitative analysis of cells organisation in the tissue supported the biological relevance of this geometrical model. Extending the structural investigations to the extracellular matrix further clarified the mechanisms involved in tissue patterning and organisation. For example, the tension built by the cells was shown to be essential for organising the fibronectin and collagens fibres and more generally for the mechanical stability of the tissue. Finally, a computational model of growth driven by the mean curvature of the three-dimensional surface was proposed to better describe the current experimental system and inspire future investigations to evaluate the effects of the third dimension. Understanding how geometry is involved in tissue formation will not only benefit to biomedical research but will also profit to tissue engineering.
La formation de tissu est un processus clé de la genèse et la maintenance de nos organes. Pendant la morphogenèse, la cicatrisation et le remodelage osseux, les divers tissus de notre organisme sont continuellement modelés, remodelés et réparés par les cellules. Bien que ces processus biologiques soient encodés génétiquement, la composition biochimique et les propriétés physiques des milieux jouent aussi un rôle important dans la formation de tissu et permettent aux cellules d’adapter leur activité en réponse aux stimulations extérieures. Par exemple, la formation de muscle et d’os est accrue chez les personnes pratiquant une activité physique. D’autre part, un déséquilibre du remodelage osseux peut affecter la fonction mécanique de l’os, c’est le cas dans l’ostéoporose. Les caractéristiques géométriques d’organes comme l’os sont généralement conservées malgré un remodelage continuel. Comme la géométrie impose également les conditions aux limites de l’environnement mécanique auquel répondent les cellules, la géométrie a été proposée comme étant potentiellement impliquée dans le contrôle de la formation du tissu. Il a été montré que ce paramètre physique influence des mécanismes biologiques aux échelles subcellulaire, cellulaire et multicellulaire, mais très peu est connu à l’échelle tissulaire. Cette thèse a donc pour but de comprendre comment la géométrie d’un substrat influence la déposition et l’organisation des tissus. Des ostéoblastes ont été cultivés in-vitro pour produire du tissu osseux dans des structures tridimensionnelles en hydroxyapatite. L’hypothèse proposant que la géométrie influence localement la formation de tissu sur une surface a été transcrite dans un modèle numérique de croissance contrôlée par la courbure. La comparaison des motifs de croissance expérimentaux et simulés a non seulement confirmé la pertinence du modèle géométrique pour décrire la croissance du tissu de manière quantitative sur des surfaces complexes, mais a aussi montré qu’une croissance plus rapide du tissu peut être obtenue en optimisant la géométrie du substrat. Il a également été montré qu’un « modèle des cordes » consistant à assembler des éléments sous tension qui représentent les cellules contractiles, est équivalent à la simulation de croissance contrôlée par la courbure. Une analyse qualitative de l’organisation des cellules dans le tissu a conforté la pertinence de ce modèle géométrique. Etendre les études structurelles à la matrice extracellulaire a permis de clarifier les mécanismes impliqués dans l’organisation du tissu. Par exemple, la tension générée par les cellules s’est montrée indispensable à l’organisation des fibres de fibronectine et de collagènes, et de manière générale à la stabilité mécanique du tissu. Enfin, un modèle de croissance contrôlée par la courbure moyenne d’une surface en trois dimensions a été proposé pour décrire le système expérimental et inspirer de nouvelles études pour évaluer les effets de la troisième dimension. Comprendre comment la géométrie est impliquée dans la formation du tissu profitera à la fois à la recherche biomédicale et à l’ingénierie tissulaire.
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Dates et versions

tel-01246844 , version 1 (23-12-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01246844 , version 1

Citer

Cécile Bidan. GEOMETRIC CONTROL OF TISSUE GROWTH AND ORGANISATION. Biological Physics [physics.bio-ph]. Max-Planck-Institut of Colloids and Interfaces, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01246844⟩
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