Micro-engineered substrates as bone extracellular matrix mimics

Abstract

Il est de plus en plus évident que la matrice extracellulaire (MEC), au-delà de sa fonction d’échafaudage cellulaire, génère des signaux de nature biochimique et biophysique jouant un rôle primordial au cours du processus de différenciation des cellules souches. A l’heure actuelle, plus de 15 différents facteurs extrinsèques (environnementaux), incluant l’organisation spatiale de la MEC, sa topographie, rigidité, porosité, biodégradabilité et chimie ont été identifiés comme modulateurs potentiels de la différenciation des cellules souches en lignées cellulaires spécialisées. Ainsi, il est plausible que l’intégration d’un biomatériau au sein de l’organisme dépendra largement de sa capacité à mimer les propriétés de la MEC du tissu à remplacer. Récemment, les techniques de micro-ingénierie ont émergé comme outil innovant pour découpler les différentes propriétés de la MEC et étudier l’impact individuel ou combiné de ces facteurs sur le comportement des cellules souches. De plus, ces techniques de microfabrication ont un intérêt particulier dans une perspective de reconstruction de la MEC dans tous ses aspects, in vitro. Dans ce projet de thèse, le concept de déconstruction/reconstruction de la complexité de la MEC a été appliqué pour récapituler, in vitro, plusieurs aspects inhérents à la MEC osseuse et explorer leurs effets individuels ou combinés sur la différenciation ostéoblastique des cellules souches mésenchymateuses (CSMs) humaines. Trois principales composantes ont été utilisées tout au long du projet : un matériau modèle (verre borosilicate), des séquences peptidiques mimétiques dérivées de la MEC naturelle, favorisant à la fois l’adhérence cellulaire (peptide RGD) et la différenciation ostéoblastique (peptide BMP-2) des CSMs prélevées de la moelle osseuse des patients. La première étude du projet consiste à greffer, d’une manière aléatoire, les peptides RGD et/ou BMP-2 sur la surface du matériau. Brièvement, nous avons développé trois types de matériaux bioactifs : matériaux fonctionnalisés avec le peptide RGD, matériaux fonctionnalisés avec le peptide BMP-2 et matériaux bi-fonctionnalisés avec les peptides RGD/BMP-2. La caractérisation physicochimique de ces matériaux a été réalisée en utilisant la spectrométrie photoélectrique à rayons X (XPS) pour évaluer la composition chimique de la surface, la microscopie à force atomique (AFM) pour évaluer la topographie de la surface et la microscopie à fluorescence pour confirmer la présence des peptides sur la surface et évaluer leur densité. L’objectif de cette étude est d’évaluer le potentiel individuel et synergétique de ces peptides à induire et contrôler la différentiation ostéoblastique des CSMs. Dans un premier temps, la caractérisation physicochimique nous a permis de confirmer l’immobilisation covalente des peptides sur la surface et de mesurer leur densité. En effet, la densité des peptides, mesurée sur les surfaces greffées uniquement avec le peptide RGD ou BMP-2, était de 1.8 ± 0.2 pmol/mm² et 2.2 ± 0.3 pmol/mm², respectivement. Cependant, sur les surfaces bifonctionnalisées, la densité de chaque peptide a diminué de presque la moitié, atteignant 0.7 ± 0.1 pmol/mm² pour le peptide RGD et 1 ± 0.1 pmol/mm² pour le peptide BMP-2. Ensuite, l’évaluation biologique des différents matériaux fonctionnalisés a clairement révélé que contrairement au peptide RGD, le peptide BMP-2 induit la différenciation ostéoblastique des CSMs. Cependant, le greffage simultané des peptides RGD/BMP-2 améliore significativement la différenciation des CSMs en ostéoblastes et cela malgré la diminution significative de la densité de chaque peptide sur les surfaces bi-fonctionnalisées, comparativement aux surfaces contenant qu’un seul peptide. Ces résultats montrent que les peptides RGD et BMP-2 peuvent engendrer un effet synergétique pour améliorer la différenciation ostéoblastique des CSMs. Le second chapitre de thèse vise à déterminer si la microstructuration de la surface des matériaux avec des ligands bioactifs améliore la différenciation ostéoblastique des CSMs. En effet, les peptides RGD et BMP-2 ont été greffés séparément sur la surface du matériau sous forme de micro-motifs de différentes formes mais de taille similaire. En se basant sur des précédents travaux de littérature – discutés dans le chapitre II – nous avons sélectionné trois différentes formes de motifs peptidiques (triangle, carré et rectangle) dont la surface est de 50 μm². Ces micromotifs ont été créées grâce à une technique assez répondue et facile à utiliser qui est la photolithographie. Les surfaces microstructurées ont été caractérisées avec l’interférométrie optique et la microscopie à fluorescence. Les résultats montrent que les micromotifs peptidiques ont à la fois la forme et les dimensions prédéfinies. In vitro, les résultats de différenciation cellulaire ont révélé que la distribution spatiale des ligands à l’échelle micrométrique joue un rôle très important dans l’engagement et la différenciation des CSMs en ostéoblastes. En effet, contrairement aux micromotifs peptidiques en forme de rectangles, les micromotifs triangulaires et carrés améliorent significativement l’expression des marqueurs ostéogéniques (Runx-2 et Ostéopontine) comparativement à la distribution aléatoire des peptides. Il est important de noter que ce profile d’expression des marqueurs biologiques a été observé que sur les matériaux fonctionnalisés avec le peptide BMP-2, tant dis que les matériaux fonctionnalisés avec le peptide RGD n’ont induit aucun effet spécifique sur la différenciation des CSMs et cela peu importe la forme des micromotifs peptidiques. En conclusion, cette étude a permis d’identifier un nouveau facteur extracellulaire capable de contrôler la différenciation des CSMs. De plus, nous avons démontré que la distribution spatiale des ligands à l’échelle micrométrique affecte le devenir des CSMs, dépendamment de la nature du principe actif. Finalement, la troisième étude de ce projet de thèse est une suite logique de l’étude 1 et 2, puisqu’elle consiste à greffer simultanément les peptides RGD et BMP-2 sous forme de micromotifs. En effet, ces surfaces ont été développées afin de bénéficier à la fois de l’effet synergétique des peptides RGD/BMP-2, observé dans l’étude 1 (facteur 1), et de l’effet de la distribution spatiale contrôlée des ligands, observé dans l’étude 2 (facteur 2). Les différents types de matériaux ont été caractérisés avec les mêmes techniques de caractérisation de surface mentionnées dans l’étude 2. Les résultats montrent clairement que les surfaces microstructurées sont très bien définies et correspondent à un damier de micromotifs RGD, intercalé par un damier de micromotifs BMP-2. L’évaluation de la différenciation des CSMs sur ces matériaux a révélé que la combinaison des facteurs 1 et 2 améliore significativement la différenciation des CSMs vers le lignage ostéoblastique, comparativement à l’exposition des CSMs à un seul facteur extracellulaire (1 ou 2). De plus, cette étude confirme les résultats obtenus dans l’étude 2, puisque les micromotifs triangulaires et carrés ont permis une meilleure différenciation cellulaire, comparativement aux micromotifs rectangulaires. Il est important de noter également que l’évaluation biologique des différentes surfaces biomimétiques a été réalisée dans un milieu de culture basal qui ne contient pas de facteurs ostéogéniques solubles, afin d’étudier d’une manière assez précise et fiable les interactions des CSMs avec les différents microenvironnements in vitro développés dans ce projet. En conclusion générale, les travaux effectués jusqu’à présent ont permis d’identifier deux aspects de la MEC qui influencent considérablement la différenciation ostéoblastique des CSMs. De plus, nous avons démontré que ces deux facteurs peuvent coopérer pour induire une meilleure différenciation cellulaire. Cela révèle clairement l’intérêt des techniques de micro-ingénierie pour une meilleure et plus profonde compréhension des mécanismes d’interactions des cellules souches avec leurs niches, ce qui permettra éventuellement de concevoir des produits d’ingénierie tissulaire sur-mesure. Mots clés : Microstructuration de la surface des matériaux, matrice extracellulaire biomimétique, peptides mimétiques, BMP-2, cellules souches, ostéogenèse.

It is becoming increasingly appreciated that the role of extracellular matrix (ECM) extends beyond acting as scaffolds to providing biochemical and biophysical cues, which are critically important in regulating stem cell self-renewal and differentiation. To date, more than 15 different extrinsic (environmental) factors, including the matrix spatial organization, topography, stiffness, porosity, biodegradability and chemistry have been identified as potent regulators of stem cells specification into lineage-specific progenies. Thus, it is plausible that the behavior of biomaterials inside the human body will depend to a large extent on their ability to mimic ECM properties of the tissue to be replaced. Recently, nano- and microengineering methods have emerged as an innovative tool to dissect the individual role of ECM features and understand how each element regulates stem cell fate. In addition, such tools are believed to be useful in reconstructing complex tissue-like structures resembling the native ECM to better predict and control cellular functions. In the thesis project presented here, the concept of deconstructing and reconstructing the ECM complexity was applied to reproduce several aspects inherent to the bone ECM and harness their individual or combinatorial effect on directing human mesenchymal stem cells (hMSCs) differentiation towards the osteoblastic lineage. Three main components were used throughout this project: a model material (borosilicate glass), ECM derived peptides (adhesive RGD and osteoinductive BMP-2 mimetic peptides) and bone marrow derived hMSCs. All cell differentiation experiments were performed in the absence of soluble osteogenic factors in the medium in order to precisely assess the interplay between hMSCs and the different artificial matrices developed in the current study. First, RGD and/or BMP-2 peptides were covalently immobilized and randomly distributed on glass surfaces. The objective here was to investigate the effect of each peptide as well as their combination on regulating hMSCs osteogenic differentiation. The most important funding was that RGD and BMP-2 peptides can act synergistically to enhance hMSCs osteogenesis. Then, micropatterning technique (photolithography) was introduced to control the spatial distribution of RGD and BMP-2 at the micrometer scale. The peptides were grafted individually onto glass substrates, as specific micropatterns of varied shapes (triangular, square and rectangle geometries) but constant size (50 μm² per pattern). In this second part of the project, the focus was made on investigating the role of ligands presentation in a spatially controlled manner in directing hMSCs differentiation into osteoblasts. Herein, we demonstrated that the effect of microscale geometric cues on stem cell differentiation is peptide dependent. Finally, glass surfaces modified with combined and spatially distributed peptides were used as in vitro cell culture models to evaluate the interplay between RGD/BMP-2 crosstalk and microscale geometric cues in regulating stem cell fate. In this study, we revealed that the combination of several ECM cues (ligand crosstalk and geometric cues), instead of the action of individual cues further enhances hMSCs osteogenesis. Overall, our findings provide new insights into the role of single ECM features as well their cooperation in regulating hMSCs fate. Such studies would allow the reconstruction of stem cell microenvironment in all the aspects ex vivo, which may pave the way towards the development of clinically relevant tissue-engineered constructs. Keywords: Chemical micropatterning, bioactive surfaces, mimetic peptides, BMP-2, mesenchymal stem cells, stem-cell differentiation, stem-cell niche, osteogenesis.