Insulin-producing beta cells derived from pluripotent stem cells could provide a virtually limitless cell supply to treat diabetes. This is accomplished using directed pancreatic differentiation protocols which deliver various stimuli through sequential changes of in vitro culture conditions to mimic events during embryonic development. Most protocols currently control the dosing of soluble signaling factors along with the formation of 3D cell aggregates. The cellular microenvironment of the developing pancreas is complex and involves many dynamic biophysical stimuli which are not well-studied in current differentiation protocols. This thesis focuses on biomimetic approaches to guide pancreatic differentiation, specifically on leveraging biomechanical stimuli seen and predicted during pancreatic morphogenesis. Three different approaches were used to recreate different aspects of pancreatic development, namely cell clustering during bud development, tissue geometry, and biomechanical forces. First, micropatterned surfaces were used to create well-defined, reproducible pancreatic cell clusters. Using this system, transcription factors which play a critical role in endocrine pancreas differentiation were upregulated in confined cultures, with distinct actin filament organization patterns emerging in the microwells. Next, to recreate the geometries seen during pancreatic morphogenesis, a novel technique to rapidly prototype micropatterned surfaces on-the-fly was developed. This technique was validated using human umbilical vein endothelial cells leading to novel insights regarding extracellular matrix removal in conventionally used wound healing assays. Later, this technique was used to generate micropatterns which mimicked sagittal sections of the developing pancreas. Lastly, an array designed to deliver equibiaxial strains was implemented to study the effect of biomechanical forces on pancreatic differentiation. The results suggest that biomechanical stimuli can promote endocrine differentiation and that these forces could originate in vitro from surrounding differentiating, clustering cells. Overall, these insights into the effect of the cell microenvironment during pancreatic development could lead to novel strategies for directed differentiation protocols which may lead to more cost-effective and efficient approaches

Les cellules bêta productrices d'insuline, dérivées de cellules souches pluripotentes, pourraient constituer une source de cellules pratiquement illimitée pour traiter le diabète. Pour ce faire, des protocoles de différenciation pancréatique ont été développés afin d’imiter les étapes du développement embryonnaire en livrant divers stimuli par le biais de changements séquentiels des conditions de culture in vitro. La plupart des protocoles contrôlent actuellement soit le dosage de facteurs de signalisation solubles ou la géométrie des cultures, i.e. la formation d'agrégats cellulaires en 3D. Le microenvironnement cellulaire du pancréas en développement est complexe et implique de nombreux stimuli biophysiques dynamiques qui ne sont pas bien étudiés dans les protocoles de différenciation actuels. Cette thèse se concentre sur des approches biomimétiques pour guider la différenciation pancréatique, en mettant l'accent sur l'exploitation des stimuli biomécaniques observés et prédits pendant la morphogenèse pancréatique. Trois approches différentes ont été utilisées pour recréer différents aspects du développement pancréatique, à savoir le regroupement des cellules lors du bourgeonnement pancréatique, la géométrie des tissus et les forces biomécaniques. Tout d'abord, des micro-motifs ont été utilisés pour créer des amas de cellules pancréatiques bien définis et reproductibles. Dans ce système, nous avons observé une augmentation significative de marqueurs essentiels au développement du pancréas dans les cultures confinées. De plus, nous avons observé une corrélation entre la réorganisation du cytosquelette d’actine et le processus de regroupement et de différenciation. Ensuite, nous avons cherché à recréer les géométries observées au cours de la morphogenèse pancréatique. Pour ce faire, nous avons mis au point une nouvelle technique permettant de rapidement fabriquer des surfaces microstructurées. Nous avons validé cette technique en utilisant des cellules endothéliales dérivées de la veine ombilicale humaine et avons découvert de nouvelles informations concernant l'élimination de la matrice extracellulaire dans les tests de blessure conventionnels. Ensuite, cette technique a été utilisée pour générer des micro-motifs qui imitent les sections sagittales du pancréas embryonnaire. Enfin, nous avons étudié le rôle des forces biomécaniques sur la différenciation du pancréas et recréé les contraintes prédites in vivo à l'aide d'un réseau conçu pour fournir des contraintes équibiaxiales. Cette étude suggère que les stimuli biomécaniques peuvent favoriser la différenciation endocrinienne et que in vitro, ces forces pourraient provenir des cellules en cours de différenciation et de regroupement. Dans l'ensemble, ces connaissances sur l'effet du microenvironnement cellulaire pendant le développement du pancréas pourraient conduire à l’élaboration de protocoles de différenciation plus efficaces tant au niveau de la qualité du produit que du coût de bioproduction