Influence des propriétés physico-chimiques de surface de céramiques à base d’hydroxyapatite (HA) sur le comportement de cellules endothéliales - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Influence of the physicochemical surface properties of hydroxyapatite (HA)-based ceramics on endothelial cell behavior

Influence des propriétés physico-chimiques de surface de céramiques à base d’hydroxyapatite (HA) sur le comportement de cellules endothéliales

Julie Usseglio-Grosso
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1424882
  • IdRef : 191627054

Résumé

The current challenge in bone tissue engineering is to develop a new generation of biomaterials, facilitating osteoconduction (passive property of a material to receive bone regrowth) and angiogenesis (formation of new blood vessels from pre-existing ones), to enable osteoinduction by offering the possibility of bone tissue formation over large losses of substance, thus promoting osseointegration (stable and functional integration into the surrounding bone) of implants. Calcium phosphate ceramics (CPCs), particularly those based on hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2, are frequently used in surgery for bone repair.Lack of vascularization of implants seems to be the main factor in osseointegration failures of biomaterials. Incorporating silicate ions into CPCs and modifying their multi-scale porous architecture are two strategies for optimizing the vascularization of scaffolds.The response of endothelial cells to the chemical and physical surface properties of biomaterials is poorly documented, although essential. We sought to characterize the in vitro response of an endothelial cell line, C166, grown on the surface of CPCs varying either by their chemical composition (pure HA vs. silicon-doped HA) or microstructure (dense vs. microporous). The main aim of this work was to develop a cellular model relevant to the study of the biological properties of materials and to understand the living-materials interface.In this context, adhesion, metabolic activity and proliferation of endothelial cells in contact with bioceramics were studied. Cells behavior were significantly altered on the surface of microporous ceramics. In addition, a tubulogenesis assay, using a fibrin-based gel, was specifically developed. Two configurations were designed to dissociate the influence of chemistry from that of surface physical properties. This 3D environment enabled the formation of tubule-like structures, positive for the endothelial markers MMP9 and VEGFR-2, which were qualitatively more frequent on dense ceramics than on porous ones. The concentration of calcium and phosphorus in the culture medium was reduced by around half in the presence of the microporous ceramics, linked to dissolution-reprecipitation phenomena occurring at the surface of the CPCs. Calcium depletion was deleterious to C166 proliferation and migration in wound healing assays. No major influence of HA silicon doping on C166 behavior was detected. Finally, with the aim of establishing a relevant biological model, the cellular responses of an in vitro co-culture model of C166 endothelial cells and MC3T3-E1 sc14 osteoblastic cells were studied through the expression of osteogenic and endothelial markers. A network of tubular microcapillary-like structures, positive for the endothelial marker PECAM, was observed in a 3D environment on fibrin gel. The ratios 2C166 : 1MC3T3-E1 sc14 and 1C166 : 2MC3T3-E1 sc14 appear to be the most relevant for jointly promoting angiogenesis and osteogenesis.Vascular invasion of porous CPCs remains essential to promote. This work will be pursued by studies with primary cultures of human endothelial and osteoblastic cells, whose physiological behavior is closer to that of cells in vivo. Dynamic 3D perfusion flow bioreactor culture conditions, providing a controlled and optimized environment for the growth, maintenance and proliferation of living cells in culture, are currently being developed.
Le défi actuel en ingénierie des tissus osseux est la mise au point d’une nouvelle génération de biomatériaux, facilitant l'ostéoconduction (propriété passive d’un matériau à recevoir la repousse osseuse) et l'angiogenèse (formation de nouveaux vaisseaux sanguins à partir de vaisseaux préexistants), pour permettre l'ostéoinduction en offrant la possibilité de formation de tissu osseux sur de grandes pertes de substance, favorisant ainsi l'ostéointégration (intégration stable et fonctionnelle dans l’os environnant) des implants. Les céramiques phosphocalciques (CPCs), et plus particulièrement celles à base d'hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 sont fréquemment utilisées en chirurgie pour la réparation osseuse.Le défaut de vascularisation des implants semble être le facteur principal des échecs d’ostéointégration des biomatériaux. L'incorporation d'ions silicates dans les CPCs et la modification de leur architecture poreuse multi-échelle sont deux stratégies d’optimisation de la vascularisation des pièces architecturées poreuses.La réponse des cellules endothéliales aux propriétés chimiques et physiques de surface des biomatériaux est peu documentée, bien qu'essentielle. Nous avons cherché à caractériser in vitro la réponse d'une lignée de cellules endothéliales, C166, cultivées à la surface de CPCs variant soit par leur composition chimique (HA pure vs HA dopée au silicium), soit par leur microstructure (dense vs microporeuse). L'objectif principal de ce travail était le développement d'un modèle cellulaire pertinent pour l'étude des propriétés biologiques des matériaux et la compréhension de l'interface vivant-matériaux.Dans ce contexte, l'adhésion, l'activité métabolique et la prolifération des cellules endothéliales au contact des biomatériaux ont été étudiées. Elles ont été significativement altérées à la surface des céramiques microporeuses. De plus, un essai de tubulogenèse, utilisant un gel à base de fibrine, a été spécifiquement développé. Deux configurations ont été conçues pour distinguer l'influence de la chimie de celle des propriétés physiques de surface. Cet environnement 3D a permis la formation de structures semblables à des tubules, positives aux marqueurs endothéliaux MMP9 et VEGFR-2, qui étaient qualitativement plus fréquentes sur les céramiques denses. La concentration en calcium et phosphore dans le milieu de culture était réduite environ de moitié en présence des céramiques microporeuses, en lien avec des phénomènes de dissolution-reprécipitation à la surface des CPCs. L’appauvrissement du milieu en calcium était délétère pour l’activité migratoire et proliférative des C166 lors de tests de fermeture de lésions du tapis cellulaire. Aucune influence majeure du dopage au silicium de l'HA sur le comportement des C166 n'a été détectée. Enfin, dans l’objectif d’établir un modèle biologique pertinent, les réponses cellulaires d’un modèle in vitro de co-culture de cellules endothéliales C166 et de cellules ostéoblastiques MC3T3-E1 sc14 ont été étudiées à travers l’expression de marqueurs ostéogéniques et endothéliaux. Un réseau de structures tubulaires de type microcapillaires, positives au marqueur endothélial PECAM, a été observé dans un environnement 3D sur gel de fibrine. Il semble que les ratios 2C166 : 1MC3T3-E1 sc14 et 1C166 : 2MC3T3-E1 sc14 soient les plus pertinents pour favoriser conjointement l’angiogenèse et l’ostéogenèse.L'invasion vasculaire des CPCs poreuses reste essentielle à promouvoir. Ce travail va être poursuivi par des études avec des cultures primaires de cellules humaines endothéliales et ostéoblastiques, au comportement physiologiquement plus proche de celui des cellules in vivo. Des conditions de culture dynamiques en 3D en bioréacteur à flux par perfusion, fournissant un environnement contrôlé et optimisé pour la croissance, le maintien et la prolifération des cellules vivantes en culture, sont en cours de développement.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04729862 , version 1 (10-10-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04729862 , version 1

Citer

Julie Usseglio-Grosso. Influence des propriétés physico-chimiques de surface de céramiques à base d’hydroxyapatite (HA) sur le comportement de cellules endothéliales. Sciences agricoles. Université de Limoges, 2024. Français. ⟨NNT : 2024LIMO0047⟩. ⟨tel-04729862⟩
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