Normal joint function is dependent on the integrity of a thin layer of connective tissue that covers the articulating surfaces of the bone:​ cartilage. Its exceptional mechanical and biochemical properties allow the articulation to subsist in a mechanically demanding environment. However, this tissue has its limits and can deteriorate. An injury can induce acute tissue damage and lead to osteoarthritis if the lesion is left untreated. This inflammatory disease can also be favored by obesity or age-associated cellular disorders in conjugation with joint overuse, among other factors. To date, no optimal solution has been discovered. This thesis aims at exploring novel ways to promote cartilage repair by developing brand new materials or increasing the efficacy of existing treatments. In the first part of this thesis, Chapter 1 introduces various aspects of cartilage engineering and Chapter 2 describes the scope of the thesis into more details.

Chapter 3 focuses on the creation of a true biomimetic of the cartilage extracellular matrix (ECM). A scaffold that replicates the biological structure of the tissue could provide great advances in cartilage repair. Articular cartilage is made of a hydrophilic matrix in which two networks interpenetrate one another. Fibrillar collagen type II proteins are embedded in a dense, negatively-charged meshwork of sulfated glycosaminoglycans (GAGs). Chondrocytes are sparsely distributed within this matrix and take care of tissue homeostasis. To recreate this architecture, two biomaterials were used in which chondrocytes were encapsulated. Alginate sulfate was used to mimic the glycosaminoglycan component, and a fibrous layer of poly(ε-caprolactone) (PCL) was used as a reinforcement. A novel electrospinning technique was developed, which allowed the creation of fibrous, ultraporous and hydrophilic scaffolds. Mechanical, biochemical and biological properties of this scaffold were characterized and showed potential for cartilage repair.

In Chapter 4, strategies to improve the efficacy of intra-articular injections of dexamethasone, commonly used to treat inflammation and pain linked to cartilage damage, were explored. Currently, multiple injections are generally required for a moderately effective treatment. This can be explained by the slow drug diffusion rate into cartilage and the fast turnover rate of the synovial fluid, thus rapidly clearing the drug from the joint. It was hypothesized that by specifically targeting dexamethasone to cartilage, the cellular uptake and therapeutic efficacy of the drug could be improved. Therefore, prodrugs were created that target the two components of cartilage (a collagen type II network inside a highly negatively-charged glycosaminoglycan-rich meshwork) and increase the intra-cartilage retention of dexamethasone. A prodrug is the combination of a therapeutic molecule and a drug carrier, designed to help the active drug to cross a physical barrier before releasing it. To target the glycosaminoglycan component via electrostatic interactions, dexamethasone was conjugated to polycationic chitosan. To target the collagen network, a peptide retained the drug within cartilage by specific interactions with collagen type II fibrils. The prodrugs were characterized and could show that they offer a promising and highly efficient alternative to repetitive injections of unmodified dexamethasone.

Finally in Chapter 5, the role of the cytoskeleton in chondrogenesis was investigated, as well as the regulation of a key signaling pathway to stimulate the production of cartilaginous extracellular matrix. Shortly, the chondrogenic phenotype is characterized by a round cell morphology and a cortical arrangement of actin fibers, while dedifferentiated cells adopt an elongated fibroblastic morphology, with thicker actin stress fibers being a prominent characteristic. In particular, the Rho signaling pathway is known to orchestrate the (re)organization of the cytoskeleton, and the inhibition of RhoA, a key member of this pathway, was shown to stimulate chondrogenesis. Specifically, C3 transferase is a bacterial enzyme known to be a potent RhoA inhibitor. This protein was genetically engineered to allow its conjugation to a hydrogel. By immobilizing the C3 transferase variant on a modified form of alginate, alginate vinyl sulfone, safe, sustained and localized RhoA inhibition was achieved. The functionalized hydrogel was mechanically stable, had a long-lasting enzymatic activity and bovine chondrocytes encapsulated in this biocompatible hydrogel produced a collagen type II-rich extracellular matrix in vitro and in vivo. This cell-instructive hydrogel could have the potential to treat several pathologies where RhoA dysregulation plays a role, including osteoarthritis.

Throughout this thesis, several approaches were investigated to provide solutions to the debilitating cartilage-related pathologies. Towards this aim, promising tissueengineered scaffolds and strategies to improve current drugs were developed.

Le fonctionnement normal des articulations dépend d’une fine couche de tissu conjonctif couvrant la surface des os aux articulations :​ le cartilage. Ses propriétés exceptionnelles permettent à l’articulation de survivre dans un environnement mécaniquement hostile. Cependant, ce tissu a ses limites et peut se détériorer. Une blessure peut conduire à une lésion cartilagineuse aiguë qui peut, par la suite, se développer en arthrose si elle demeure non traitée. Cette maladie inflammatoire peut aussi être favorisée par des dérèglements cellulaires liés à l’âge ou à l’obésité, combiné à une surutilisation de l’articulation. À ce jour, aucun traitement optimal n’a été découvert. L’objectif de cette thèse est de développer des moyens novateurs pour promouvoir la régénération du cartilage, en explorant de nouveaux matériaux et en améliorant l’efficacité de traitements actuels. Dans la première partie de cette thèse, le Chapitre 1 expose en profondeur divers aspects du cartilage et de l’ingénierie tissulaire. Dans le Chapitre 2, les objectifs de cette thèse sont présentés en détail.

Le Chapitre 3 se focalise sur la création d’un matériau biomimétique, recréant la matrice extracellulaire du cartilage. En effet, un échafaudage biologique répliquant la structure biologique du tissu pourrait contribuer à une avancée majeure dans la régénération du cartilage. Le cartilage hyalin est constitué d’une matrice hydrophile dans laquelle sont présents deux réseaux de macromolécules. Un réseau fibrillaire de protéines, principalement du collagène de type II, interpénètre un dense maillage de glycosaminoglycanes sulfatés chargés négativement. Les chondrocytes au sein de cette structure sont responsables de maintenir le tissu en équilibre. Pour recréer cette architecture, deux biomatériaux ont été utilisés, dans lesquels ont été encapsulés des chondrocytes. L’alginate sulfate, un polysaccharide, a été utilisé pour imiter les glycosaminoglycanes du cartilage et des fibres de poly(ε-caprolactone), un polyester, pour renforcer la structure. Une variante a été établie de l’électrofilage conventionnel appelée électrofilage à basse température ou cryoélectrofilage « cryoelectrospinning » afin de créer une structure fibrillaire, ultraporeuse et hydrophile. Les propriétés mécaniques, biochimiques et biologiques de ce matériau composite ont été caractérisées et ont démontré son potentiel pour la régénération du cartilage.

Dans le Chapitre 4, des stratégies pour améliorer l’efficacité des injections intraarticulaires de dexaméthasone, communément utilisées pour lutter contre l’inflammation et la douleur liées aux lésions cartilagineuses, ont été explorées. Actuellement, de multiples injections sont généralement nécessaires pour un traitement modérément efficace. Cela peut être expliqué par la faible diffusion du médicament dans le cartilage et au renouvellement continuel du fluide synovial, éliminant ainsi rapidement le médicament de l’articulation. Une plus grande infiltration de la dexaméthasone dans le cartilage devrait conduire à une meilleure efficacité thérapeutique. Des promédicaments ont été créés qui ciblent spécifiquement les deux composantes du cartilage (un maillage négativement chargé de glycosaminoglycanes dans un réseau de collagène de type II) et augmentent la rétention de la dexaméthasone dans le tissu. De manière générale, un promédicament est la combinaison d’une molécule thérapeutique avec un vecteur médicamenteux, qui aide le médicament à franchir une barrière physique, avant d’être relâché. Pour cibler les glycosaminoglycanes par le biais d’interactions électrostatiques, la dexaméthasone a été conjuguée à du chitosan positivement chargé. Pour cibler le collagène, un peptide a été utilisé, qui permet au médicament d’être retenu dans le cartilage par interaction spécifique avec les fibrilles de collagène de type II. Ces promédicaments offrent une alternative prometteuse et hautement efficace aux injections répétées de dexaméthasone non modifiée.

Finalement, dans le Chapitre 5, le rôle du cytosquelette dans la chondrogenèse a été examiné ainsi que la régulation d’une voie de signalisation pour stimuler la production de matrix cartilagineuse (chondrogenèse). Brièvement, un phénotype chondrogénique est caractérisé par une morphologie ronde et un arrangement cortical des fibres d’actine. Au contraire, des cellules dédifférenciées entraînent une morphologie fibroblastique élongée, caractéristique d’épaisses fibres d’actine. En particulier, la voie de signalisation Rho orchestre le (ré)arrangement du cytosquelette et l’inhibition de RhoA, une protéine clé de cette voie de signalisation, a montré de stimuler la chondrogenèse. Spécifiquement, la transférase C3 est une enzyme bactérienne qui inhibe efficacement RhoA. Cette enzyme a pu être modifié génétiquement pour permettre sa conjugaison à un hydrogel. En immobilisant cette variante de la transférase C3 sur une version modifiée de l’alginate, l’alginate vinyl sulfone, une inhibition efficace, localisée et sûre de la protéine RhoA a été atteinte. Cet hydrogel fonctionnalisé a montré une stabilité mécanique et une longue durée d’activité enzymatique. En outre, des chondrocytes d’origine bovine encapsulés dans cet hydrogel ont pu produire une matrice cartilagineuse riche en collagène de type II in vitro et in vivo. Cet hydrogel « bioactif » représente un potentiel dans le traitement de pathologies impliquant une dérégulation de RhoA, y compris l’arthrose.

Tout au long de cette thèse, diverses approches ont été investiguées pour fournir des solutions aux pathologies liées au cartilage. Dans ce but, de nouveaux biomatériaux ont été développés ainsi que l’amélioration de l’efficacité de médicaments existants.