Thèse Approches Numériques et Expérimentales Intégrées pour un Modèle In Vitro Alternatif à l'Expérimentation Animale en Ingénierie Tissulaire Osseuse H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
Direction de la thèse : Bertrand DAVID ORCID 0000000255208613
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

Le Parlement européen a approuvé en septembre 2021 une résolution en faveur d'une transition vers une innovation fondée sur les principes des 3R (Remplacer, Réduire, Raffiner), visant à éliminer progressivement l'usage des animaux en recherche, en tests réglementaires et en enseignement. En orthopédie, le développement de modèles précliniques in vitro devient une priorité pour étudier les mécanismes de réparation osseuse, en particulier dans des contextes pathologiques complexes tels que l'ostéoporose, le diabète, l'obésité ou les maladies rares affectant la formation osseuse, sans recours à l'expérimentation animale. La recherche en ingénierie tissulaire osseuse s'inscrit dans cette démarche translationnelle, visant à proposer des alternatives expérimentales aux différentes phases des essais cliniques, grâce à la mise au point de modèles précliniques prédictifs et éthiques. Cependant, les modèles disponibles (modèles monotypiques en monocouches bidimensionnelles in vitro) ne sont pas physiologiquement pertinents. Pour s'affranchir de ces limitations, l'utilisation de substituts tissulaires, ou organoïdes, est désormais admis pour l'évaluation des candidats médicaments. Les organoïdes, structures cellulaires tridimensionnelles auto-organisées, reproduisent des aspects clés de l'architecture et de la physiologie osseuse. Ce projet d'ingénierie tissulaire vise à développer un bioréacteur innovant, instrumenté et modélisé, associé à un hydrogel microporeux offrant aux cellules un microenvironnement 3D propice à la formation d'organoïdes osseux vascularisés. Le système vise à reproduire in vitro les conditions mécaniques auxquelles le tissu osseux est soumis in vivo au stade précoce de sa réparation (cal mou).

Les cellules osseuses reçoivent des informations mécaniques, biochimiques et biophysiques à travers leur environnement qui se traduisent par une capacité d'adaptation à toute modification environnementale. Physiologiquement, un certain niveau de compression favorise la réparation osseuse, mais des mouvements axiaux trop faibles ou trop importants la retardent. Pour utiliser davantage l'efficacité de la biomécanique dans des scénarios de régénération, il est nécessaire de mieux comprendre comment les stimuli mécaniques comme la déformation axiale influencent les processus cellulaires aboutissant à la formation d'un tissu osseux vascularisé. D'un point de vue biomécanique, la déformation de la matrice extracellulaire et les contraintes de cisaillement provoquent une déformation cellulaire. Au niveau cellulaire, les contraintes mécaniques peuvent être détectées et transmises par diverses voies de transduction. La voie constituée par le couple matrice extracellulaire/intégrine joue un rôle majeur dans la mécanotransduction osseuse. Les intégrines sont des glycoprotéines membranaires qui, en cas de déformation de la matrice extracellulaire, permettent une transmission des stimuli physiques de la matrice via le cytosquelette vers le noyau, où elles peuvent initier des changements dans l'expression de gènes responsables de la réparation osseuse. Une modélisation multi-échelle et multiphysique des écoulements dans le bioréacteur, ainsi que les déformations de l'hydrogel microporeux hébergeant les organoïdes permettra d'estimer précisément le type et l'intensité des contraintes mécaniques perçues par les cellules. Le dialogue itératif entre quantification de marqueurs biologiques spécifiques et modélisation permettra d'identifier les conditions biomécaniques optimales pour favoriser la formation osseuse.

Ce travail vise à reproduire in vitro, au sein de l'hydrogel cultivé en bioréacteur, un microenvironnement biomécanique biomimétique intégrant une compression axiale cyclique et une perfusion, afin de simuler les conditions rencontrées in vivo au stade initial de la réparation osseuse (cal mou). La perfusion, assurée par une pompe, induit un cisaillement au niveau des parois des organoïdes tout en favorisant les transferts de matière. En parallèle, un déplacement cyclique imposé par un piston provoque leur déformation mécanique. Ces stimulations pourront être appliquées de manière indépendante ou conjointe, afin d'analyser les effets spécifiques de chaque contrainte sur la réponse cellulaire. Une originalité du projet repose sur une approche couplée, multiphysique et biomécanique, qui dépasse les approches expérimentales classiques fondées sur des protocoles empiriques. Grâce à la modélisation, par exemple, il sera possible de prédire la déformation cellulaire, voire nucléaire en fonction des conditions mécaniques imposées, favorisant l'ostéogenèse et la vasculogenèse, et d'optimiser l'environnement biochimique péricellulaire, notamment en termes de débit de perfusion, pour maintenir une haute viabilité. Ces prédictions seront confrontées aux résultats expérimentaux, notamment par l'analyse de l'expression des marqueurs ostéogéniques et vasculaires au niveau génique (qPCR) et protéique, afin de valider les hypothèses de mécanotransduction.

Les principales étapes du projet
- Design du bioréacteur et coculture de cellules ostéoprogénitrices et endothéliales.
Le bioréacteur sera instrumenté de capteurs permettant d'identifier les changements d'état métabolique des cellules et d'enrichir la modélisation (glucose, lactate, oxygène, pH). L'hydrogel (diamètre 10 mm, épaisseur 2 mm) est fabriqué après réticulation chimique de pullulane et de dextrane. Ils seront ensemencés de cellules ostéoprogénitrices et endothéliales. 24 heures après, les hydrogels empilés seront transférés dans le bioréacteur. La perfusion (débit à adapter selon les résultats des simulations) devra favoriser la différenciation via les mécanismes de transport. Une gamme de déformation (en %) et de fréquence de déformation (en Hz) sera appliquée sur l'empilement. Pour évaluer le statut métabolique des cellules, le profil de concentration d'oxygène entre l'entrée et la sortie du bioréacteur sera mesuré ainsi que la concentration en glucose et lactate dans le réservoir de milieu de culture. Tous les 7 jours, l'établissement d'un réseau vasculaire et l'organisation du cytosquelette des cellules composant les organoïdes sera visualisé en microscopie confocale. Après 28 jours de culture en bioréacteur, les principaux marqueurs témoignant de la formation (i) osseuse comme RUNX2, ALP, OC, OP et (ii) vasculaire comme Col4 et CD31, seront évalués. Les effets de la taille et de la densité cellulaire au sein de l'hydrogel seront associés à la viabilité et à l'expression des marqueurs au niveau génique et protéique.

- Modélisation, simulation numérique de l'hydrodynamique, du transfert d'espèces et du champ de déformation
La déformation, imposée sur les hydrogels par le piston du bioréacteur, sera modélisée par la méthode des éléments finis (FEM). Il s'agit, par changements d'échelles successifs, de calculer les déformations locales de l'hydrogel, de l'organoïde au sein des pores, des cellules au sein de l'organoïde et d'estimer les déformations nucléaires, aboutissant à l'activation des gènes. La déformation des organoïdes sera observée par tomographie par cohérence optique. L'écoulement généré par la pompe ou la déformation cyclique axiale dans le bioréacteur et au sein de la microporosité des biomatériaux sera simulé par une méthode de Boltzmann sur réseau. La simulation permettra d'estimer quantitativement les contraintes pariétales locales (cisaillement) exercées par le fluide et perçues par les organoïdes ainsi que leur environnement biochimique (concentration en oxygène, lactate). La simulation numérique permettra non seulement d'estimer le microenvironnement vu par les organoïdes mais également, par comparaison avec les données de suivi biochimique du bioréacteur, de caractériser le métabolisme cellulaire et les changements de voie métabolique. Les niveaux de déformation et de contraintes pariétales locales seront associés aux résultats biologiques.