Engineering cell/matrix and cell/cell interactions to control the flow behavior of high volume fraction cell suspensions

L'attention de la communauté scientifique, ainsi que le développement, pour les bioprocédés dédiés à la culture et à l'expansion de cellules souches mésenchymateuses (MSCs) pour la thérapie cellulaire et la médecine régénérative a considérablement grandi pendant ces dernières décennies. Une plus ample compréhension du lien entre la structure, la fonction et les propriétés des suspensions de cellules mésenchymateuses est devenue de première importance. Dans cette thèse, nous présentons tout d'abord les résultats d'une étude expérimentale portant sur l'écoulement de suspensions concentrées de cellules vivantes d'origine mésenchymateuse pour une grande gamme de concentration cellulaire. Nous caractérisons l'évolution de la viscosité relative en fonction de la contrainte de cisaillement appliquée pour des fractions volumiques cellulaires allant de 20 à 60%. Ces matériaux ont des empreintes rhéologiques compliquées mais très reproductibles, incluant des comportements de fluide à seuil, rhéofluidifiants ainsi que des fractures liées à la contrainte de cisaillement. Les propriétés rhéologiques de la suspension sont ensuite étudiées avec l'addition d'acide hyaluronique (HA), une biomolécule avec des séquences d'adhésion pour des récepteurs à la surface des cellules étudiées. Nous montrons que l'addition d'acide hyaluronique modifie substantiellement le comportement de la suspension et nous permet de contrôler les propriétés d'écoulement de la suspension à toutes les fractions volumiques. Cytométrie de flux et imagerie confocal à l'appui, nous montrons que l'effet observé est dû à un important changement dans la formation d'agrégats cellulaires dans la suspension, et donc dans l'envergure du réseau correspondant. La troisième partie de cette thèse porte sur l'ajout de polyéthylène glycol, une molécule qui n'est pas naturellement présente dans l'organisme mais fréquemment utilisée dans la formulation d'hydrogel. En utilisant trois types de PEG, l'influence de la charge des molécules est étudiée. Les résultats montrent que la charge est un paramètre important dans le contrôle des propriétés d'écoulement de suspensions cellulaires, car déterminant dans la formation et la compacité des agrégats. En considérant les agrégats comme des objets fractals, nous montrons qu'en prenant en compte les modifications de fractions volumiques avec le cisaillement, nous pouvons obtenir une courbe maitresse pour l'ensemble des conditions testées, et en extraire la force d'adhésion moyenne entre les cellules, au travers une population de plusieurs millions de cellules. Cette étude livre de nouveaux aspects sur la complexité des propriétés en écoulement de suspensions de cellules méchymateuses, adhérentes et concentrées, sur leur sensibilité à l'ajout de molécules, qu'elles soient naturellement présentes dans les tissues ou non, ainsi qu'une nouvelle méthode pour mesurer la force d'adhésion entre les cellules.With the rapidly growing interest in the development of bioprocess systems to culture and expand mesenchymal stromal cells (MSCs) for cell therapy and regenerative medicine applications, greater understanding of the structure-function-property characteristics of mesenchymal cell suspensions is required. In this thesis, the results of a detailed experimental study into the flow behaviour of concentrated suspensions of living mesenchymal cells over a wide range of cell concentrations and in the presence of two macromolecules (hyaluronic acid and polyethylene glycol) often used in cellular therapy applications are presented. The change in the shear viscosity as a function of shear stress and shear rate for cell volume fractions varying from 20 to 60% are firstly presented, showing that these suspensions exhibit highly complex but reproducible rheological footprints, including yield stress, shear thinning and shear-induced fracture behaviours. The rheological properties of the suspension with the addition of hyaluronic acid (HA), a biomolecule with adhesion sequences for receptors on these types of cells, was then investigated. With the addition of HA, the rheology of these cell suspensions is significantly modified at all volume fractions. Using FACS and confocal imaging, we show that the observed effect of HA addition is due to it significantly modulating the formation of cellular aggregates in these suspensions, and thus the resultant volume spanning network. This understanding permits the rheology of concentrated mesenchymal cell suspensions to be tailored to suit particular processing scenarios. The third part of this project focused on the addition of polyethylene glycol, a molecule which is not naturally present in tissues but commonly utilised in hydrogels as injectable delivery vehicles for cells to sites of tissue damage. Using three different kinds of PEG, the influence of the charge of the molecules is investigated. The results show the charge is also a crucial parameter to tailor the flow behaviour of cell suspension when biomacromolecules are added, influencing the formation and the compactness of the cellular aggregates. Considering the aggregates as fractal structures, and by taking into account the changes in volume fractions with shear, a master curve for the range of conditions investigated was successfully achieved through the use of an analytical model. Critically, this model also permitted the estimation of the average adhesion force between cells, across a population of millions of cells. The outcomes of this study not only provide new insight into the complexity of the flow behaviours of concentrated, dynamically adhesive mesenchymal cell suspensions, and their sensitivity to associative biomolecule and synthetic molecule addition, but also a novel, rapid method by which to estimate adhesion forces between cells