Thèse Mimy Micro-Structuration d'Hydrogels pour la Mécanobiologie du Contrôle de l'Adhérence à la Différenciation Cellulaire H/F - 10

Établissement : Université de technologie de Troyes
École doctorale : Sciences Pour l'Ingénieur
Laboratoire de recherche : Lumière, nanomatériaux & nanotechnologies
Direction de la thèse : Cyrille VEZY ORCID 000000033576920X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59

L'objectif de cette thèse est de développer une méthode innovante de structuration micrométrique modulable et contrôlée d'hydrogels biomimétiques afin de maîtriser l'organisation et le comportement de cellules humaines du muscle strié squelettique (myoblastes). Lors de régénération musculaire, les myoblastes s'alignent et fusionnent pour former des méta-cellules plurinucléaires qui s'allongent et s'associent entre elles pour former des fibre matures (myofibres) qui, organisées en segments contractiles (sarcomères) permettent la contraction musculaire.
Les hydrogels étudiés seront basés sur une combinaison de dendrimères de lysine (DGL) et de polyéthylène glycol (PEG). Ces matériaux présentent : (i) un contrôle précis des propriétés mécaniques (5 à 400 kPa), (ii) une cytocompatibilité intrinsèque favorisant l'adhésion cellulaire, (iii) la possibilité d'être fonctionnalisés avec des biomolécules de la matrice extracellulaire. Ces hydrogels peuvent être structurés spatialement par photolithographie UV.

Dans le corps humain, les cellules vivent dans un environnement tissulaire complexe composé principalement d'eau et de protéoglycanes (glycoprotéine), ainsi que de protéines structurales telles que le collagène, l'élastine, la fibronectine et la laminine. Cette matrice extracellulaire (MEC) joue alors un rôle central dans la régulation du comportement cellulaire, du développement tissulaire et dans l'homéostasie. La MEC présente toutefois une grande variabilité, en raison de différences de composition et d'architecture entre les tissus, chacune influençant une fonction cellulaire spécifique. Afin de reproduire ces signaux natifs, la conception de supports biomimétiques est devenue un axe majeur de la recherche en ingénierie tissulaire, en mécanobiologie et en médecine régénérative. Ces supports visent à recréer à la fois : les signaux biochimiques et biophysiques de la MEC, en y incluant les propriétés mécaniques telles que la rigidité, la porosité et la topographie, ainsi entre autres que la présence de ligands d'adhésion et de facteurs de croissance.
Ainsi, une large gamme de biomatériaux a été développée pour imiter les caractéristiques de la MEC. Parmi ceux-ci, les hydrogels se sont révélés être particulièrement polyvalents et prometteurs car ils sont particulièrement adaptables pour concevoir des environnements physiologiquement pertinents. Les hydrogels sont constitués d'un réseau dense de polymères souples et à 99% d'eau. Cette formulation particulière permet entre autres la diffusion de nutriments, tout en offrant des propriétés mécaniques ajustables. Ils constituent donc des substrats idéaux pour des applications en ingénierie tissulaire.

Un élément important de la reproduction biomimétique de l'environnement cellulaire est la maîtrise de l'organisation spatiale des cellules. En effet, les cellules sont extrêmement sensibles aux contraintes géométriques et mécaniques de leur microenvironnement. Ces paramètres ne sont pas contrôlés dans des conditions classiques de culture et d'observation, ce qui induit de nombreux artefacts. La possibilité de créer une structuration 2D (et ensuite 3D) micrométriques, dans le but de réguler la dynamique du cytosquelette ou d'induire une migration dirigée apparait donc comme une étape importante pour mieux mimer le microenvironnement natif des cellules. Ainsi dans ce projet doctoral, nous allons proposer une méthode innovante de structuration surfacique et volumique sur des hydrogels spécifiques.

Les hydrogels peuvent être fabriqués soit à partir de polymère naturels (collagène, alginate par exemple), soit à partir de polymère synthétiques (polyacrylamide, polyéthylène glycol par exemple) ou bien en combinant les deux. Les hydrogels que l'on souhaite structurer dans ce projet sont aisément synthétisables à partir de molécules commerciales : un dendrimère de lysine (DGL) et un polyéthylène glycol (PEG) modifié comme agent réticulant. Les hydrogels résultants permettent un excellent contrôle des propriétés viscoélastique avec des modules d'Élasticité compris entre 5 et 400 kPa, couvrant ainsi les conditions physiologiques et pathologiques. Il est aussi possible de les rendre poreux (par effervescence) et injectables, ce qui renforce leur intérêt pour la régénération tissulaire, et plus précisément la régénération du muscle strié squelettique.

Contrairement à une majorité d'hydrogels synthétiques à base de PEG, qui sont par nature bio-inertes et nécessitent d'être fonctionnalisés par des groupements réactifs (tel que le peptide Arginine-Glycine-Aspartic, RGD) pour permettre la survie ou la fonction des cellules adhérentes, ces hydrogels présentent une cytocompatibilité inhérente à travers les interactions possibles entre l'intégrine 51 et les amines présentes dans les lysines des dendrimères. Ainsi, ils favorisent l'attachement et la prolifération de multiples types cellulaires, dont les myoblastes. En outre, ces hydrogels DGL-PEG peuvent être associés avec des biomolécules d'intérêts comme les protéines de la matrice extracellulaire (fibronectine, collagène...) via les amines des DGL. Ces différentes possibilités montrent tout leur potentiel dans le domaine de la mécanobiologie, permettant d'adresser différents récepteurs membranaires, ainsi qu'en modulant finement les propriétés mécaniques et géométriques du substrat.

La thèse s'articulera autour de trois axes principaux :
1.Développement et caractérisations mécaniques et structurelle d'hydrogels microstructurés
Formulation d'hydrogels de compositions et propriétés différentes, microstructuration par photolithographie UV et analyse de la structuration surfacique tridimensionnelle résultante, étude de la modulation mécanique due à la microstructuration.
2.Étude de l'influence de la structuration sur le comportement des myoblastes (adhésion, alignement, migration, différenciation)
Culture de cellules murines (lignée) sur les hydrogels microstructurés, analyse de la réponse et du comportement cellulaire (adhésion, migration, prolifération) par microscopie et analyse d'image, mise en évidence de corrélations structures/comportements
3.Analyse des relations entre géométrie du substrat et différenciation cellulaire
Implémentation des relations structure/comportement et étude de leurs effets sur la fusion cellulaire en myotubes matures et fonctionnels, par microscopie et histologie immunofluorescente.
L'objectif final est d'induire l'alignement des myoblastes et leur fusion en myotubes, étape essentielle dans la formation des fibres musculaires.