Bénédicte FROMAGER
Membrane de fibres de polyacrylonitrile électrofilées pour la culture cellulaire en 3D
Devant le jury composé de :
– Pascale CHENEVIER, Dr, HDR, SyMMES, CEA Grenoble – Rapporteur
– Valérie CORONAS, Pr,STIM,Université de Poitiers – Rapporteure
– Cécile FEUILLIE,DrCRCNRS,CBMN,Université de Bordeaux – Examinatrice
– Mikhael BECHELANY, DRCNRS,IEM,Université de Montpellier – Examinateur
– Julien CAMBEDOUZOU, Pr, IEM,Université de Montpellier – Directeur de thèse
– David CORNU, Pr, IEM,Université de Montpellier – Directeur de thèse
– Norbert BAKALARA,Pr,CBMN,ENSTBB, Bordeaux – Invité
– Emilie MARHUENDA, Dr, Queen Mary University of London – Invitée
Résumé :
Le comportement des cellules dépend de la composition et l’organisation de la matrice extracellulaire (MEC). L’obtention d’un environnement biomimétique de la MEC pour la croissance cellulaire représente ainsi un défi qui ouvrirait des perspectives inédites. Parmi les supports de culture cellulaire 3D existants, les membranes obtenues par électrospinning présentent des avantages très intéressants, en particulier un système fibrilleux mimant celui de la MEC. Dans ce contexte, la collaboration établie entre l’IEM et l’INM a permis de concevoir des membranes 3D composées de fibres électrospinnées ex-PAN (polyacrylonitrile) pour la culture cellulaire. Ces membranes sont biocompatibles, insérables dans les puits de plaques de culture cellulaire, et ne se dégradent pas sous l’effet des produits de culture cellulaire ou dans l’échelle de temps des mesures. De plus, il est possible d’étudier l’impact des propriétés mécaniques et physicochimiques indépendamment. Lors d’une thèse précédente, ces membranes ont été utilisées pour étudier la migration des cellules de glioblastomes (GSC), ce qui constitue le socle de ce travail. Dans ce manuscrit, un premier chapitre est consacré à la présentation de l’électrospinning ainsi que de l’état de l’art de l’utilisation de membranes obtenues à partir de cette méthode pour la biologie cellulaire. Puis, dans le deuxième chapitre est décrit le processus de caractérisation systématique et rationnel de la topographie et de la porosité de la membrane par DiameterJ (plugin du logiciel Image J). De plus, nous nous sommes assurés que l’introduction de nanotubes de carbone dans la solution initiale, pour faire varier les propriétés mécaniques des fibres, n’impactait pas la topographie de la membrane. Les différentes analyses (TEM, nanotomographie) ont permis de conclure que les CNTs sont intrafibrillaires. Le chapitre 3 présente quant à lui la caractérisation de la topographie de la membrane, la fonctionnalisation de surface et la spécification des propriétés mécaniques. En effet, afin d’avoir un support biomimétique, nous avons tenté de fonctionnaliser par covalence les membranes avec des motifs RGD. Nous avons ensuite tenté de mesurer la rigidité en fonction de la teneur en CNTs par AFM et nanoindentation. La tendance observée est une augmentation de la rigidité lorsque la teneur en charge croît. Puis, l’étude de l’influence de ces propriétés sur les cellules A7R5, C2C12, NRC, iPSCs, GBM et MCF7 est exposée dans le chapitre 4, après les tests de cytotoxicité pour s’assurer de la biocompatibilité du support. Cette étude a montré que les cellules infiltrent le support, prolifèrent et leur comportement est impacté par la topographie et les propriétés mécaniques. La partie « perspectives » vient présenter les résultats préliminaires obtenus sur deux sujets. Le premier concerne la capacité d’obtention de biomolécules d’intérêt pharmaceutique dans un procédé de bioproduction. Le deuxième sujet concerne le développement de Physarum polycephalum, organisme qui pourrait être cultivé sur nos supports comme système modèle, notamment pour la migration amiboïde et le développement de réseau.
Abstract:
Cell behaviour depends on the composition and organisation of the extracellular matrix (ECM). Obtaining a biomimetic environment of the ECM for cell growth therefore represents a challenge that could open up unprecedented prospects. Among the existing 3D cell culture supports, membranes obtained by electrospinning offer very interesting advantages, in particular a fibrillar system mimicking that of the ECM. In this context, the collaboration established between the IEM and the INM has led to the design of 3D membranes composed of electrospun ex-PAN (polyacrylonitrile) fibres for cell culture. These membranes are biocompatible, can be inserted into the wells of cell culture plates, and do not degrade under the effect of cell culture products or in the time scale of measurements. In addition, it is possible to study the impact of mechanical and physicochemical properties independently. In a previous thesis, these membranes were used to study the migration of glioblastoma cells (GSCs), which forms the basis of this work. In this manuscript, the first chapter is devoted to a presentation of electrospinning and the state of the art in the use of membranes obtained using this method for cell biology. The second chapter describes the systematic and rational process for characterising the topography and porosity of the membrane using DiameterJ (Image J software plugin). In addition, we ensured that the introduction of carbon nanotubes into the initial solution, to vary the mechanical properties of the fibres, had no impact on the topography of the membrane. Various analyses (TEM, nanotomography) led to the conclusion that the CNTs were intrafibrillar. Chapter 3 presents the characterisation of the membrane topography, the surface functionalisation and the specification of the mechanical properties. In order to obtain a biomimetic support, we attempted to covalently functionalise the membranes with RGD motifs. We then attempted to measure stiffness as a function of CNT content using AFM and nanoindentation. The trend observed was an increase in stiffness as the filler content increased. The influence of these properties on A7R5, C2C12, NRC, iPSCs, GBM and MCF7 cells is then studied in chapter 4, after cytotoxicity tests to ensure the biocompatibility of the support. This study showed that the cells infiltrate the support, proliferate and their behaviour is impacted by the topography and mechanical properties. The ‘outlook’ section presents the preliminary results obtained on two subjects. The first concerns the ability to obtain biomolecules of pharmaceutical interest in a bioproduction process. The second concerns the development of Physarum polycephalum, an organism that could be grown on our supports as a model system, particularly for amoeboid migration and network development.
Résumé grand public :
Afin d’avoir des résultats pertinents en biologie cellulaire, une matrice mimant la matrice extracellulaire (MEC) est indispensable. Durant ma thèse, une caractérisation approfondie d’une matrice de fibres électrospinnées, bio-inspirée et biomimétique, a été menée. J’ai établi une méthode d’analyse d’images pour obtenir les informations quantitatives sur la topographie et la porosité du support. Des nanotubes de carbone sont introduits dans la solution initiale afin de moduler les propriétés mécaniques sans impacter la structure globale de la membrane. Nous avons aussi évalué ces propriétés, puis fonctionnalisé avec des protéines de la MEC. Après avoir vérifié la biocompatibilité, l’impact de propriétés du support sur le comportement cellulaire a été évalué. Enfin, des résultats préliminaires sont présentés pour deux applications : l‘obtention de biomolécules dans un procédé de bioproduction et la culture de Physarum polycephalum, potentiel modèle pour la migration de cellule.
In order to obtain relevant results in cell biology, a matrix that mimics the extracellular matrix (ECM) is essential. During my thesis, an in-depth characterization of a bio-inspired and biomimetic electrospun fibre matrix was carried out. I established an image analysis method to obtain quantitative information on the topography and porosity of the support. Carbon nanotubes were introduced into the initial solution to modulate the mechanical properties without impacting the overall structure of the membrane. We also assessed these properties and functionalized them with ECM proteins. After verifying biocompatibility, the impact of the support properties on cellular behavior was assessed. Finally, preliminary results are presented for two applications: obtaining biomolecules in a bioproduction process and growing Physarum polycephalum, a potential model for cell migration.
