HydrOs — Hydrogel poreux sous perfusion : modélisation et optimisation d’un modèle in vitro de reconstruction de défaut osseux

L'os est un tissu vivant soumis à divers stimuli. Les cellules reçoivent des signaux mécaniques, chimiques ou biophysiques à travers leur environnement. L'information se traduit par une capacité d'adaptation à toute modification environnementale. Dans le contexte de l'ingénierie tissulaire osseuse (ITO), cette propriété peut être exploitée pour produire des substituts ostéogéniques à partir de cellules souches mésenchymateuses (CSM) ensemencées dans des matériaux poreux cultivés dans des conditions dynamiques. Ce matériau poreux est nécessaire pour accueillir les cellules et guider leur croissance et leur régénération tissulaire dans un environnement 3D. Pour surmonter les limitations du transport des nutriments et pour soumettre les cellules à des contraintes mécaniques favorables, des bioréacteurs sont utilisés. La production de substituts ostéogéniques en bioréacteur repose sur une approche rudimentaire par rapport à celle développée en génie des procédés, qui reposent sur la modélisation et intègrent les aspects multi-échelles et multi-physiques. Il apparaît nécessaire de rationaliser la conduite des bioréacteurs. L'originalité de notre approche réside dans le développement de méthodes de contrôle et de quantification des transferts de masse et de mouvements au sein d'un bioréacteur. Des simulations numériques fournissant les champs de contraintes et de concentration en nutriments subis par les cellules prolongeront systématiquement les expériences. A l'interface de la physique, de la mécanique et de la biologie, HydrOs vise à produire des substituts osseux ostéogéniques vascularisés à partir d'une coculture de MSC et de cellules endothéliales (CE) ensemencées dans des hydrogels de polysaccharides supplémentés ou non par des particules d'hydroxyapatite (HAp). Les cellules seront cultivées dans notre bioréacteur à perfusion caractérisé expérimentalement et numériquement. Les connaissances actuelles concernant la fabrication des matériaux ostéogènes, l'influence de sa structuration interne sur la formation de structures biologiques pertinentes, la compréhension de l'influence du transport des espèces et des mécanismes de dynamique ne permettent actuellement pas d'envisager une translation du processus à la clinique. Notre ambition est de compléter ce champ de connaissances. Un paramètre clé est la compréhension et le contrôle de la structuration de la porosité de l’hydrogel pendant sa fabrication. Dans WP1, les propriétés morphologiques, mécaniques et diffusionnelles de l'hydrogel seront caractérisées. Nous étudierons comment l'environnement mécanique et les gradients de nutriments influencent le devenir des MSC. Dans WP2, nous développerons un jumeau numérique du bioréacteur qui fournira le champ de concentration en nutriments et le champ de contraintes au sein du bioréacteur afin de connaître les conditions locales vues par les cellules. Pour cela, nous devons modéliser le comportement mécanique des hydrogels, décrire les interactions entre les hydrogels déformables et l'hydrodynamique au sein du bioréacteur et modéliser le transport des nutriments dans le bioréacteur. Dans WP3, un bioréacteur produira des substituts à partir d'hydrogel de porosité et de propriétés mécaniques contrôlées (développées en WP1) ensemencées avec une co-culture de MSC et d'EC puis cultivées dans des conditions optimisées fournies par le jumeau numérique développé en WP2. Les marqueurs de différenciation seront quantifiés et, grâce à la simulation numérique, corrélés avec l'hydrodynamique, le champ de contraintes et les transferts de masse au sein du bioréacteur. Le potentiel du bioréacteur à améliorer la formation d'un réseau vasculaire dans les sphéroïdes sera évalué (WP3). Dans le WP4, le potentiel des substituts ostéogènes produits dans le bioréacteur et l'évaluation du bénéfice de la supplémentation des hydrogels en HAp pour favoriser l'ostéoinduction seront évalués in vivo.