Proper functioning of the placenta – an organ that connects the mother to the fetus – is crucial for a successful pregnancy. Transport across this placental barrier is regulated by the syncytiotrophoblast which is a single multinucleated cell formed as a result of syncytialization or fusion of individual cytotrophoblast cells. Consequently, improper fusion can result in several pregnancy-associated complications including preeclampsia. Although fusion in vivo takes places successfully throughout the pregnancy, utilizing fused cells for in vitro experimentation remains challenging on account of several tissue engineering complications such as lack of control over fusion and low fusion efficiency, which are primarily the result of not knowing how factors can be manipulated to influence the fusion process. This thesis aims to solve this gap in fundamental knowledge by utilizing a microenvironmental approach to regulate in vitro trophoblast fusion. First, decellularized extracellular matrix (dECM) nanoparticles from healthy and diseased placentas were used to assess solely the impact of ECM composition on fusion. Although greater fusion with healthy placentas was encountered as expected, the changes in levels of specific ECM proteins illustrated different roles for different proteins in cell adhesion and cell spreading vs. fusion. Furthermore, making use of this information, a recovery in fusion levels could be achieved through the use of a combination mixture of collagen I and collagen IV, showing how ECM composition could be used to regulate fusion. Secondly, dynamic mechanical forces that are encountered in vivo during villous budding were re-created in vitro to assess their impact on fusion. With Traction Force Microscopy (TFM) confirming a trend of centrally directed stresses seen in regions of induced fusion, stimulation experiments confirmed that equibiaxial compression could influence fusion in 2D sheets of cells. This result could also be extended to 3D with a spheroid model of cells in which dextran induced osmotic compression could also achieve good fusion levels, remarkably even without the use of fusion induction at low levels of compression. Overall, this work provides deeper insight into the role of 2 microenvironmental factors, namely disease-specific ECM composition and directed dynamic mechanical forces on trophoblast fusion and demonstrates strategies to be used as tools to impact in vitro levels of fusion. Broadly, knowledge from this research can be used to better inform in vitro fusion protocols and could eventually also be used as interventional therapeutics to treat placental diseases

Le bon fonctionnement du placenta - un organe qui fait le lien entre la mère et le fœtus - est crucial pour le bon déroulement de la grossesse. Le transport à travers cette barrière placentaire est contrôlé par le syncytiotrophoblaste qui est une cellule unique multinucléée formée à la suite de la syncytialisation ou de la fusion de cellules cytotrophoblastes individuelles. Par conséquent, une fusion incorrecte peut entraîner plusieurs complications associées à la grossesse, notamment la prééclampsie. Bien que la fusion in vivo se déroule avec succès tout au long de la grossesse, l'utilisation de cellules fusionnées pour l'expérimentation in vitro reste un défi en raison de plusieurs complications liées à l'ingénierie tissulaire, par exemple le manque de contrôle sur la fusion et la faible efficacité de la fusion, qui sont principalement dues au fait que les facteurs qui peuvent être manipulés pour influencer le processus de fusion ne sont pas connus. Cette thèse cherche à éclaircir ce manque de connaissances fondamentales en utilisant une approche microenvironnementale pour réguler la fusion des trophoblastes in vitro. Tout d'abord, des nanoparticules de matrice extracellulaire décellularisées provenant de placentas sains et malades ont été utilisées pour d'évaluer uniquement l'impact de la composition de la matrice extracellulaire sur la fusion. Bien que la fusion avec des placentas sains ait été plus importante, ce qui était prévu, un changement dans les concentration des protéines spécifiques de la matrice extracellulaire a illustré les différents rôles des différentes protéines lors de l'adhésion et l'étalement des cellules par rapport à la fusion. De plus, grâce à ces informations, il a été possible de rétablir les niveaux de fusion en utilisant un mélange de collagène I et de collagène IV, ce qui montre comment la composition de la matrice extracellulaire peut être utilisée pour réguler la fusion. Deuxièmement, les forces mécaniques dynamiques observées in vivo pendant le développement des villosités ont été recréées in vitro pour évaluer leur impact sur la fusion. Avec la microscopie à force de traction confirmant une tendance à des stresses dirigées vers le centre dans les régions de fusion induite, des expériences de stimulation ont confirmé qu'une compression équibiaxiale pouvait influencer la fusion dans des couches de cellules en 2D. Ce résultat a également pu être confirmé en 3D avec un modèle sphéroïde de cellules dans lequel la compression osmotique induite par le dextran a également pu atteindre de bons niveaux de fusion, remarquablement même sans l'utilisation de l'induction de la fusion à de faibles niveaux de compression. Dans l'ensemble, ce travail permet de mieux comprendre le rôle de deux facteurs microenvironnementaux, qui sont la composition de la matrice extracellulaire spécifique à la maladie et les forces mécaniques dynamiques dirigées sur la fusion du trophoblaste, et démontre des stratégies à utiliser comme outils pour influencer les niveaux de fusion in vitro. D'une manière générale, les connaissances obtenues grâce à cette recherche peuvent être utilisées pour mieux informer les protocoles de fusion in vitro et pourraient éventuellement être utilisées comme thérapeutique interventionnelle pour traiter les maladies du placenta