Accumulating evidence illustrates the importance of biophysical cues such as mechanical properties and stresses in embryonic development of organs, as well as disease progression. Researchers in the tissue engineering field are increasingly calling for the incorporation of these cues into strategies for biophysical guidance of engineered tissue development, both for generating improved experimental models as well as generating tissue for regenerative medicine purposes. However, studies of the influence of such biophysical cues on brain organoids are limited. Brain organoids are self-organizing, 3D tissue-engineered models of the human brain that are grown from stem cells and mimic certain aspects of embryonic brain development. These important models are the current state-of-the-art in neuroscience, enabling studies in human models that are impossible with other systems. This thesis explores the effects of several biophysical cues on brain organoid growth and development, namely matrix stiffness and geometry, overall and at the organoid periphery. First, the material properties of the hydrogel used to encapsulate brain organoids were modified to change the physical nature of the organoid microenvironment. Stiffer hydrogels yielded smaller midbrain organoids with increased neuronal maturation, and altered internal microarchitectures;​ specifically, characteristic developmental structures known as neural rosettes were smaller and fewer. Next, to manipulate overall geometry of pre-formed organoids, a compressive hydrogel molding platform was developed. Using this platform, breast cancer spheroids were molded into simple shapes, and brain organoids were molded into rings, by shaping the organoid around a post to fuse with itself. Tissue markers suggested these ring-shaped organoids differentiated as expected within these devices, indicating the platform could be used to mold tissue building blocks into a variety of shapes. Lastly, a system was engineered to create assembloids from brain organoids with passively shaped peripheries, and investigate the influence of the peripheral geometry. The results suggested that axonal projections from midbrain organoids exhibited target-seeking behaviour, and that geometry influences cell migration out of cerebral organoids. The platform could be used to observe such cellular behaviours in culture models of neural circuit formation. Overall, these new tools and insights could lead to integration of biophysical cues into brain organoid strategies, which may improve them as experimental models, and yield further knowledge into developmental processes.

es preuves de plus en plus nombreuses illustrent l'importance des indices biophysiques tels que les propriétés mécaniques et les contraintes dans le développement embryonnaire des organes, ainsi que dans la progression des maladies. Les chercheurs dans le domaine de l'ingénierie tissulaire demandent de plus en plus l'incorporation de ces indices dans les stratégies de guidage biophysique du développement des tissus artificiels, à la fois pour générer des modèles expérimentaux améliorés et pour générer des tissus à des fins de médecine régénérative. Cependant, les études sur l'influence de ces signaux biophysiques sur les organoïdes cérébraux sont limitées. Les organoïdes cérébraux sont des modèles de cerveau humain auto-organisés, fabriqués en 3D à partir de cellules souches et reproduisant certains aspects du développement du cerveau embryonnaire. Ces modèles importants constituent l'état de l'art actuel en neurosciences, permettant des études sur des modèles humains impossibles à réaliser avec d'autres systèmes. Cette thèse explore les effets de plusieurs indices biophysiques sur la croissance et le développement des organoïdes cérébraux, à savoir la rigidité et la géométrie de la matrice, globalement et à la périphérie de l'organoïde. Tout d'abord, les propriétés matérielles de l'hydrogel utilisé pour encapsuler les organoïdes cérébraux ont été modifiées afin de changer la nature physique du microenvironnement des organoïdes. Des hydrogels plus rigides ont produit des organoïdes de cerveau moyen plus petits avec une maturation neuronale accrue et des microarchitectures internes modifiées ;​ en particulier, les structures de développement caractéristiques connues sous le nom de rosettes neurales étaient plus petites et moins nombreuses. Ensuite, pour manipuler la géométrie globale des organoïdes préformés, une plateforme de moulage d'hydrogel compressif a été mise au point. Grâce à cette plateforme, des sphéroïdes de cancer du sein ont été moulés dans des formes simples et des organoïdes cérébraux ont été moulés en anneaux, en façonnant l'organoïde autour d'un poteau pour qu'il fusionne avec lui-même. Les marqueurs tissulaires suggèrent que ces organoïdes en forme d'anneau se sont différenciés comme prévu à l'intérieur de ces dispositifs, ce qui indique que la plateforme pourrait être utilisée pour mouler des édifices tissulaires dans une variété de formes. Enfin, un système a été conçu pour créer des assembloïdes à partir d'organoïdes cérébraux avec des périphéries de forme passive, et pour étudier l'influence de la géométrie périphérique. Les résultats suggèrent que les projections axonales des organoïdes du mésencéphale présentent un comportement de recherche de cible et que la géométrie influence la migration des cellules hors des organoïdes cérébraux. La plateforme pourrait être utilisée pour observer de tels comportements cellulaires dans des modèles de culture de formation de circuits neuronaux. Dans l'ensemble, ces nouveaux outils et connaissances pourraient conduire à l'intégration de repères biophysiques dans les stratégies des organoïdes cérébraux, ce qui pourrait les améliorer en tant que modèles expérimentaux et permettre d'approfondir les connaissances sur les processus de développement.