Synthèse d’hydrogels bioactifs pour le contrôle de la différenciation des cellules souches : impact sur l’ingénierie des tissus osseux

Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont des cellules souches adultes, largement utilisées en ingénierie tissulaire en raison de leur capacité à se différencier en plusieurs lignées cellulaires, ce qui les rend adaptées à de nombreuses applications. Cependant, il est difficile de contrôler précisément ce processus de différenciation pour obtenir un seul type de cellule, comme les cellules osseuses. Une des principales stratégies pour améliorer la régénération osseuse consiste à imiter le microenvironnement d’origine des cellules, appelé niche des cellules souches. À cette fin, il est crucial de développer des échafaudages biomatériaux avancés dont les propriétés peuvent être ajustées pour reproduire, en surface d’une plaque de culture cellulaire, l’environnement cellulaire in vivo. Dans ce contexte, les hydrogels ont suscité un grand intérêt car ils peuvent imiter de nombreux aspects des matrices extracellulaires (MEC) natives. Il est aujourd’hui bien établi que la différenciation in vitro des cellules souches est influencée par la rigidité et la viscoélasticité du substrat dans lequel ou sur lequel elles sont cultivées. Cependant, il est nécessaire de mieux comprendre l’effet de l’élasticité et de la viscoélasticité de la matrice sur la différenciation ostéogénique, ainsi que l’interaction entre ces caractéristiques mécaniques et la présence de molécules bioactives telles que les peptides d’adhésion ou de différenciation. Dans ce contexte, notre objectif de recherche est de développer un matériau qui englobe les propriétés optimales pour obtenir une différenciation ostéogénique des CSM. Cette thèse s’inscrit dans le développement d’hydrogels de poly(éthylène glycol) diacrylate (PEGDA) avec des propriétés mécaniques ajustables, en termes d’élasticité et de viscoélasticité, et une biofonctionnalisation ciblée. Des hydrogels avec une large gamme de modules de Young en compression, de 2 à 128 kPa, ont été synthétisés, ce qui permet de reproduire avec succès la rigidité de la plupart des tissus mous humains. La viscoélasticité de ces matériaux a également été ajustée, avec des valeurs de tangente de perte allant de 0,15 à 0,35. Le choix de la technique pour caractériser l’élasticité et la viscoélasticité des hydrogels n’est pas trivial. Il n’existe pas de norme pour l’évaluation mécanique des hydrogels pour les applications biomédicales et la comparaison des résultats obtenus avec différentes techniques devient difficile. Pour résoudre ce problème, nous avons effectué une caractérisation mécanique complète de nos hydrogels à l’aide de plusieurs techniques (compression, rhéologie et AFM). Nos résultats révèlent que même si toutes les méthodes produisent des tendances cohérentes, chacune d’entre elles fournit des informations uniques et complémentaires sur les propriétés mécaniques du matériau. Les matériaux ont été fonctionnalisés en greffant de manière covalente des peptides RGD et BMP-2, pour l’adhésion et la différenciation respectivement. La biofonctionnalisation des matériaux a été vérifiée par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et microscopie à fluorescence. Les CSM ont été cultivées sur différents hydrogels et leur différenciation ostéogénique a été évaluée par immunocytochimie de marqueurs protéiques clés et qPCR. Nos résultats ont révélé que les cellules cultivées sur des hydrogels rigides et viscoélastiques présentaient une surexpression des marqueurs d’ostéoblastes et d’ostéocytes. Cela suggère que la combinaison de la procédure de fonctionnalisation avec les propriétés mécaniques de l’hydrogel constitue une approche efficace pour promouvoir la différenciation ostéogénique des CSMh.