Cryogel-Integrated Hepatic Cell Culture Microchips for Liver Tissue Engineering
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Par Lilandra BOULAIS Cryogel-integrated hepatic cell culture microchips for liver tissue engineering Thèse présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’UTC Soutenue le 31 août 2020 Spécialité : Bio-ingénierie : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338) D2561 THÈSE DE DOCTORAT Ecole doctorale 71 : Sciences pour l’ingénieur Spécialité de doctorat : Bioingénierie Cryogel-integrated hepatic cell culture microchips for liver tissue engineering Présentée et soutenue publiquement par Lilandra BOULAIS le 31 août 2020 Pour obtenir le grade de docteur de UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE DE COMPIÈGNE Directeurs de thèse: Dr. Cécile LEGALLAIS, Dr. Sidi BENCHERIF Laboratoire de BioMécanique et BioIngénierie (BMBI) Equipe Cellules Biomatériaux Bioréacteurs (CBB) CNRS UMR 7338 Jury: Sidi Bencherif Assistant Professor, Northeastern University Directeur de thèse Dominique Collard DR CNRS, UMI CNRS 2820, LIMMS Tokyo Rapporteur Bertrand David CR CNRS, UMR CNRS 8579, Centrale Supelec Examinateur Nathalie Maubon CEO/CSO HCS Pharma Examinateur Cécile Legallais DR CNRS, UMR CNRS 7338, UTC Directrice de thèse Nathalie Picollet D’hahan Chercheur HDR, CEA Rapporteur Muriel Vayssade Professeur, UMR CNRS 7338, UTC Examinateur Contents Acknowledgements/Remerciements7 Abstract 9 Resume 11 Abbreviation 21 Introduction 23 1 Liver and drugs, a close relationship 25 1.1 Drug development................................ 25 1.1.1 A long, difficult and costly process................... 25 1.1.2 Drug safety................................ 27 Toxicology................................. 27 Pharmacology............................... 28 1.2 The liver: an essential organ in the metabolism of xenobiotics....... 29 1.2.1 Structure.................................. 29 1.2.2 Cells and organization.......................... 31 1.2.3 Functions................................. 31 Major metabolic activities........................ 32 Xenobiotic activities........................... 33 1.3 From in vivo to in vitro models.......................... 36 1.3.1 In vivo issues............................... 36 1.3.2 Alternative models............................ 37 In silico models.............................. 37 In vitro models.............................. 38 2 Current research on tissue engineered liver models 41 2.1 Cells......................................... 41 2.1.1 Primary cells............................... 41 2.1.2 Cell lines.................................. 42 2.1.3 Stem cells................................. 43 2.1.4 Co-cultures................................ 43 2.2 Engineering strategies.............................. 44 2.2.1 Micropatterning.............................. 45 2.2.2 Sandwich and layer-by-layer...................... 46 3 2.2.3 Spheroids and beads........................... 48 2.2.4 Polymer based scaffolds......................... 49 2.2.5 Bioprinting................................ 51 2.2.6 Perfusion systems............................ 52 2.3 Liver on chip.................................... 53 2.3.1 Liver on chip sandwich and layer-by-layer.............. 53 2.3.2 Liver on chip with 3D spheroids.................... 55 2.3.3 Liver on chip 3D bioprinting...................... 56 2.4 Thesis project: a new generation of liver on chip............... 57 2.4.1 Microchip used.............................. 58 2.4.2 Alginate cryogel as 3D scaffold..................... 59 2.4.3 Objectives................................. 61 3 Materials and methods 65 3.1 Materials...................................... 65 3.2 Alginate cryogels................................. 66 3.2.1 Synthesis.................................. 66 3.2.2 Mechanical properties.......................... 66 3.2.3 Physical properties............................ 66 3.2.4 Microstructure analysis......................... 67 3.2.5 Aminofluorescein functionalization.................. 67 3.2.6 RGD functionalization.......................... 67 3.2.7 Collagen coating............................. 68 3.2.8 Collagen staining............................. 68 3.3 Microchip..................................... 68 3.3.1 Fabrication................................. 68 3.3.2 Hydrodynamic characterization.................... 69 3.4 Cell culture..................................... 69 3.4.1 HepG2/C3A............................... 69 3.4.2 Primary human hepatocytes...................... 69 3.4.3 HUVEC.................................. 70 3.4.4 MDA-MB-231............................... 70 3.5 Cell culture in alginate cryogel-integrated microchip............. 70 3.5.1 Perfusion devices: IDCCM and bubble trap.............. 70 Bubble trap system............................ 70 IDCCM device.............................. 71 3.5.2 HepG2/C3A culture........................... 72 3.5.3 PHH culture................................ 74 3.5.4 HepG2/C3A and HUVEC co-culture................. 74 3.5.5 HepG2/C3A and MDA-MB-231 co-culture.............. 75 3.5.6 Alginate lyase............................... 77 3.6 Cell culture analysis: imaging.......................... 77 4 3.6.1 Cell viability................................ 77 3.6.2 Confocal and epifluorescence microscopy............... 78 3.6.3 Scanning electron microscopy...................... 79 3.7 Cell culture analysis: quantification....................... 79 3.7.1 Albumin.................................. 79 3.7.2 Glucose.................................. 80 3.7.3 Lactate dehydrogenase......................... 80 3.7.4 APAP metabolites............................ 80 3.8 Statistical analyses................................ 81 4 Alginate cryogel integrated microchip for liver tissue engineering: characteri- zation 83 4.1 Alginate cryogel characterization........................ 83 4.1.1 Cryopolymerization: choice of the freezing temperature...... 83 4.1.2 Mechanical properties.......................... 84 4.1.3 Degree of connectivity and swelling ratio............... 87 4.1.4 Morphology................................ 88 4.2 Implementation of alginate cryogel in the microchip............. 90 4.2.1 General characterization......................... 90 4.2.2 Hydrodynamic characterization.................... 91 4.3 Modification of alginate cryogel for cell culture................ 93 4.3.1 RGD functionalization.......................... 93 4.3.2 Collagen coating............................. 94 4.4 Discussion and conclusion............................ 95 5 Feasibility study : human liver cancer cell line HepG2/C3A culture in alginate cryogel integrated microchip 101 5.1 Cell viability and structure............................ 101 5.2 Metabolic activities................................ 102 5.2.1 Glucose consumption.......................... 105 5.2.2 Albumin production........................... 106 5.3 Xenobiotic activity: APAP biotransformation................. 107 5.4 Alginate cryogel removal............................ 108 5.5 Discussion and conclusion............................ 110 6 Towards a complex liver-on-chip: primary human hepatocytes and co-cultures 113 6.1 Primary human hepatocytes culture...................... 113 6.1.1 Context................................... 113 6.1.2 Preliminary results............................ 114 6.1.3 Discussion and conclusion........................ 117 6.2 Co-culture of HepG2/C3A and HUVEC.................... 118 6.2.1 Context................................... 118 6.2.2 Preliminary results............................ 118 5 6.2.3 Discussion and conclusion........................ 120 6.3 HepG2/C3A and MDA-MB-231: an example of study for circulating tu- mor cells...................................... 121 6.3.1 Context................................... 121 6.3.2 Preliminary results............................ 122 6.3.3 Discussion and conclusion........................ 125 Conclusion and perspectives 127 Communications 131 Bibliography 133 6 Acknowledgements/Remerciements Je souhaite d’abord remercier les membres de mon jury qui ont accepté d’évaluer mes travaux de thèse : Dominique Collard et Nathalie Picollet D’hahan pour leurs rapports et leurs questions ainsi que Bertrand David, Nathalie Maubon et Muriel Vayssade pour les échanges sur leurs domaines d’expertise respectif. Je remercie également mes directeurs de thèse, Cécile Legallais et Sidi Bencherif, de m’avoir donné l’opportunité de réaliser cette thèse, tout en poursuivant des activités annexes. Un grand merci à Cécile pour sa disponibilité, l’autonomie et la confiance ac- cordée, ainsi que la relecture de ce manuscrit. Merci à Sidi de m’avoir accueillie dans son laboratoire à l’université Northeastern à Boston et pour ses remarques constructives. Merci à Anne Le Goff et Anne Dubart Kupperschmitt d’avoir fait partie de mon comité de suivi scientifique. J’ai apprécié échanger avec vous et voir votre optimisme qui me motivait chaque année. J’aimerais également remercier toutes les personnes avec qui j’ai pu travailler pen- dant ces 4 années. Frédéric Nadaud pour le temps passé à observer les échantillons au mi- croscope électronique à balayage et Caroline Lefebvre pour sa formation au microscope confocal. Merci également à Margaux, Solène, Anna, Darlène et Lauretta, qui m’ont aidé à différents moments du projet et que j’ai eu le plaisir d’encadrer pendant leur stage. Merci à tout le laboratoire BMBI et en particulier l’équipe CBB qui m’a accompa- gnée pendant ce doctorat. Rachid, Ulysse, Pascale, un grand merci pour vos conseils, votre disponibilité et votre écoute. Vous avez toujours su m’aider et me remonter le moral. Vanessa, Murielle, Christophe, Muriel, Patrick, merci