Hydrogels multifonctionnalisés à effet d'affinité pour la livraison contrôlée de principes actifs et pour le génie tissulaire

Le génie tissulaire est une discipline focalisée sur le développement in vitro de substituts biologiques pour réparer ou remplacer des tissus et des organes endommagés ou pathologiques. Parmi les principaux défis rencontrés en génie tissulaire, on trouve le développement de supports pour la culture de cellules en trois dimensions (3D). Ces supports ont vocation à servir d’échafaudage sur lesquels les cellules peuvent proliférer et s’organiser pour former un nouveau tissu. De tels échafaudages doivent respecter un certain nombre de contraintes : ils doivent notamment (i) être biocompatibles et biodégradables, (ii) mimer fidèlement le microenvironnement cellulaire – propriétés mécaniques, physiques, biochimiques et topologiques – et (iii) permettre la vascularisation des tissus. De nombreux matériaux et de multiples types d’échafaudages ont été proposés pour cet usage, certains aboutissant à des résultats prometteurs in vitro ainsi qu’in vivo (modèles animaux immunodéficients). Cependant, la majorité de ces plateformes ont un faible potentiel translationnel. Les matériaux utilisés sont souvent mal définis et/ou mal caractérisés, et leurs propriétés sont parfois mal connues ou non désirées. Dans ce travail de recherche, nous proposons l’utilisation d’hydrogels de dextrane macroporeux pour la culture de cellules vasculaires en 3D. Le dextrane est un polysaccharide inerte, qui repousse l’adsorption non spécifique des protéines et empêche l’adhésion cellulaire. Nos hydrogels sont biofonctionnalisés par l’intermédiaire d’un système d’affinité, la superhélice E/K, composé de deux peptides – Ecoil et Kcoil – ayant une forte affinité en solution. Dans un premier temps, les hydrogels sont fonctionnalisés avec des peptides d’adhésion, qui permettent l’ancrage des cellules sur le dextrane, et avec le peptide Kcoil. Ils sont ensuite incubés avec des facteurs de croissance ou des nanoparticules (NPs) portant des étiquettes Ecoil. Ceux-ci sont capturés à la surface des macropores par la formation de superhélices E/K. Nous utilisons deux facteurs de croissance, (i) le facteur de croissance de l’épiderme (EGF) et (ii) le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF), et deux types de NPs, (i) des NPs d’or et (ii) des NPs d’acide polylactique (PLA). Toutes les NPs utilisées possèdent en outre une couronne de polyéthylène glycol (PEG), ce qui permet d’améliorer leur biocompatibilité et leur stabilité. Ainsi, nous proposons : — une plateforme bien définie, conçue selon un processus ascendant. Le dextrane étant inerte, toutes les propriétés désirées sont introduites par la biofonctionnalisation ; — une plateforme polyvalente, grâce à la biofonctionnalisation basée sur l’affinité.

Abstract

Tissue engineering refers to the in vitro development of biological substitutes to repair or replace damaged or pathologic tissues and organs. One of the most prominent challenges in the field is developing scaffolds that support cell culture in three dimensions (3D), on which cells can proliferate to form a new tissue. 3D cell culture scaffolds must (i) be biocompatible and biodegradable, (ii) closely mimic the cellular microenvironment – mechanical, physical, biochemical and topological properties – and (iii) enable tissue vascularization. Numerous materials and scaffold types have previously been reported for this purpose, with some leading to very promising results in vitro and in vivo (nude animal models). However, most of these platforms have poor translational prospects for clinical applications, as they employ poorly characterized materials with sometimes unknown or unwanted properties. In this work, we present the use of macroporous dextran hydrogels as scaffolds for the 3D culture of vascular cells. Dextran is an anti-fouling polysaccharide that prevents unwanted cell adhesion and repels protein adsorption. Our hydrogels are biofunctionalized using the E/K coiled-coil affinity system, composed of two strongly-interacting peptides: Ecoil and Kcoil. Hydrogels are first functionalized with adhesive peptides, which promote cell adhesion. Then, they are functionalized with the Kcoil peptide, thus enabling the capture of Ecoil-tagged growth factors and nanoparticles (NPs) via coiled-coil interactions. We present here the capture of two growth factors, (i) the epidermal growth factor (EGF) and (ii) the vascular endothelial growth fator (VEGF), as well as two NP types, (i) gold NPs and (ii) polylactic acid (PLA) NPs. All NPs are decorated with a polyethylene glycol (PEG) shell to enhance their stability and biocompatibility. Altogether, we propose: — a well-defined platform designed using a bottom-up approach. The desired properties are obtained via biofunctionalization of the hydrogels, as dextran is naturally low fouling; — a versatile platform that exploits affinity-based biofunctionalization. Any Ecoiltagged biomolecule can be captured in Kcoil functionalized hydrogels; — a customizable platform, through the fine-tuning of the E/K coiled-coil system.