Projet ANR-11-JSV5-0006 – MagStem : Contraindre et organiser des cellules souches : rôle dans la différenciation et implication pour l’ingénierie tissulaire.
Programme : JCJC - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (JCJC SVSE 5)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Claire WILHELM (UNIVERSITE DE PARIS 7)
Partenaires : Laboratoire Matière et Systèmes Complexes
Montant : 210300.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : DU TISSU MAGNETIQUEIl s’agit de mettre à profit des techniques de contrôle magnétique de l’organisation des cellules, dans des environnements tridimensionnels, pour influencer la différenciation et développer des substituts de tissus fonctionnels.
Influencer magnétiquement la différenciation de cellules souches et la formation de tissuUne des questions actuelles de l’ingénierie tissulaire est de comprendre pourquoi la différenciation des cellules souches s’oriente vers un type de cellules spécialisées plutôt qu’un autre en fonction des signaux extérieurs. L’enjeu ici est de mieux comprendre l’influence de facteurs d’origine physique sur la différenciation cellulaire. Des forces magnétiques seront appliquées au niveau des cellules par l’intermédiaire de nano-aimants incorporés dans l’espace intracellulaire. Il s’agira alors de développer des techniques innovantes permettant de: - moduler l’organisation cellulaire avant la différenciation- d’appliquer une force contrôlée pendant les différentes étapes de la différenciation.Deux différenciations seront étudiées :- la formation de tissu cartilagineux avec l’influence de l’agrégation initiale des cellules (avec et sans matrice de soutien)- la cardiomyogenèse  avec l’influence d’une contrainte cyclique, pour simuler les battements cardiaques.- Les forces magnétiques seront également utilisées pour forcer la création d’un vaisseau en particulier à partir de cellules souches (progénitrices) endothéliales.
Développement d’outils magnétiques pour l’étude des cellules souches et l’ingénierie tissulaire.Le premier aspect méthodologique du projet consistait à mettre au point une technique d’internalisation de nanoparticules magnétiques au cœur des cellules souches pour les rendre magnétiques sans effets néfastes sur leur capacité à se différencier.Le deuxième développement techniques concernait la fabrication de substrats magnétiques micro-organisés permettant de contrôler la géométrie des assemblages de cellules souches à deux et à trois dimensions. Ces taches méthodologiques ont été réalisées avec succès.
Résumé de la soumission : Les cellules souches sont des cellules indifférenciées, capables de se transformer en un ou plusieurs types cellulaires du corps humain (différenciation). On les trouve dans l’embryon (cellules souches embryonnaires) où elles vont permettre de créer les différents organes. Plus rares, elles sont également présentes dans l’organisme adulte assurant le maintien des différents tissus et parfois leur régénération en cas de traumatisme. Elles sont potentiellement des sources illimitées de tissus et cellules spécifiques, permettant de suppléer des cellules détruites par certaines pathologies (ischémie, maladies neuro-dégénératives, arthrite, diabète, infarctus …) ou de pallier des déficits fonctionnels. L’idée de pouvoir réparer des tissus ou les créer de toutes pièces à l’aide de manipulations cellulaires suscite un effort de recherche important, irriguant les domaines de l’ingénierie tissulaire et de la thérapie cellulaire. Une des questions principales est de comprendre pourquoi la différenciation des cellules souches s’oriente vers un type de cellules spécialisées plutôt qu’un autre en fonction des signaux extérieurs. Certains acteurs moléculaires de ces différenciations commencent à être identifiés. Ainsi,  on sait simuler in vitro un environnement moléculaire spécifique pour induire une différenciation spécifique. Néanmoins il est apparu depuis peu que les signaux moléculaires n’étaient pas les seuls impliqués dans le processus de différenciation. Ainsi, les signaux physiques perçus par les cellules, tels les propriétés mécaniques de la matrice ou la dynamique du milieu environnant apparaissent de plus en plus comme des facteurs déterminant pour la différenciation cellulaire. De plus, l’organisation spatiale des cellules gouverne les interactions cellules-cellules et cellules-substrat d’une manière qui influence également leur différenciation. Ainsi la formation de cartilage à partir de cellules souches mésenchymateuses nécessite de confiner ces dernières en un agrégat 3D de plusieurs centaines de milliers de cellules. L’objectif de ce projet est de mieux comprendre l’influence de sollicitations mécaniques sur la différenciation cellulaire. Nous proposons de développer des techniques innovantes permettant de :- moduler l’organisation cellulaire avant la différenciation- d’appliquer une force contrôlée pendant les différentes étapes de la différenciation. Ces contraintes mécaniques seront créées au niveau intracellulaire par l’intermédiaire de nanoparticules magnétiques internalisées dans les cellules et soumises à des gradients de champ magnétique. Chaque cellule subira ainsi une force magnétique calibrée, pouvant être modulée dans le temps et dans l’espace. Le développement de substrats magnétiques micro-organisés permettra de contrôler la géométrie des assemblages cellulaires à deux et à trois dimensions, indépendamment des signaux biologiques liés au milieu ou à la matrice de soutien. Dans ces conditions bien définies du point de vue mécanique, on cherchera à suivre le processus de différenciation et à en déterminer les paramètres de contrôle.Plusieurs situations, intéressantes pour l’ingénierie tissulaire, seront étudiées :- la chondrogénèse (formation de tissu cartilagineux) avec l’influence de l’agrégation initiale des cellules (avec et sans matrice de soutien) et de l’application d’une contrainte cyclique.- la cardiomyogenèse  avec l’influence d’une contrainte cyclique- la formation de substitut de vaisseau, associant deux types cellulaires organisés différemment.
Résultats : Nous nous sommes assurés dans un premier temps de l’innocuité de l’internalisation des nanoparticules magnétiques sur les cellules, et en particulier sur leur capacité à se différencier en un type cellulaire spécialisé (os, graisse, cartilage) (publication dans Adv Healthcare Mat).
Nous avons ensuite démontré que des micro-aimants permettaient de condenser les cellules souches pour favoriser leur différenciation en cellules du cartilage, puis que le rassemblement de ces amorces de tissus entre elles grâce à d’autres aimants pouvaient conduire à la formation d’un tissu de grande taille, et fonctionnel (brevet déposé - publication dans Adv Mat). Enfin, nous avons réussi à fabriquer un endothélium magnétique pour produire des substitutes de vaisseaux de petite taille (publication dans Cell Transplantation).
Perspectives : Nous souhaitons appliquer les technologies magnétiques développées à l’ingénierie tissulaire cardiaque. 
Les tissus fonctionnels et de grande dimension produits devront être implantés chez l’animal pour évaluer leur apport en termes de reconstruction tissulaire.
Publications et brevets : - Managing magnetic nanoparticle aggregation and cellular uptake: a precondition for efficient stem-cell differentiation and MRI tracking. Advanced Healthcare Materials, 2, 313-25 (2013);
La démonstration que l’incorporation de matériel magnétique est sans effet sur les fonctions des cellules souches.
- Process to aggregate and differenciate magnetised stem cells. Brevet déposé. B1224FR00.
et Magnetic forces promote stem cell differentiation, aggregates fusion and tissue building. Advanced Materials. 201300342 (2013).
Une avancée dans la production de cartilage fonctionnel de grande taille pour une implantation favorisée
- Design of biomimetic vascular grafts with magnetic endothelial patterning. Cell Transplantation, doi 10.3727/096368912X661300 (2013).
La fabrication d’un endothelium magnétique pour l’obtention de substituts de vaisseaux de petit diamètre