Face à l'écart croissant observé entre la culture cellulaire conventionnelle en 2D et les essais cliniques, les chercheurs se sont résolus à utiliser des modèles animaux afin d'obtenir des résultats plus pertinents. Cependant, les modèles in vivo présentent de nombreuses controverses éthiques et sont coûteux et longs à mettre en œuvre. Par conséquent, la culture tridimensionnelle est apparue comme une solution intermédiaire, comprenant un réseau complexe dans lequel les cellules se développent d'une manière semblable à la physiologie. Dans ce projet de thèse, nous nous sommes concentrés sur la maîtrise d'une série d'études en vue de construire un système 3D reproductible basé sur des sphéroïdes tumoraux multicellulaires. Ces études impliquent, d'une part, la conception d'une nouvelle matrice 3D à base d'hydrogel supramoléculaire, avec des propriétés physico-chimiques définies et adaptées à la lignée cellulaire d'intérêt. Et d'autre part, la culture 3D inédite d'une population de cellules souches cancéreuses. Grâce à leurs caractéristiques intrinsèques uniques d'auto-renouvellement et de multipotence, les cellules souches cancéreuses permettent de générer des sphéroïdes reproductibles présentant des caractéristiques biologiques similaires à la tumeur d'origine. Compte tenu des faibles proportions de CSC en culture cellulaire, nous avons orienté cette recherche vers une lignée cellulaire de Glioblastome (U87-MG) qui est un cancer très hétérogène et qui présente un taux élevé de CSC par rapport aux autres lignées. Après un criblage de différents molécules gélifiantes de faible poids moléculaire, un hydrogel de glycosyl-nucléoside-bolaamphiphile a été choisi pour la culture 3D. La nature chimique et la concentration de cet hydrogel a été réajustée pour atteindre une viscoélasticité similaire à celle du microenvironnement cérébral, adaptée aux cellules de Glioblastome. Simultanément, les cellules souches cancéreuses ont été isolées de la population hétérogène à l'aide d'une méthode de fractionnement par couplage flux-force de sédimentation qui est bien adaptée et définie pour le tri des cellules de Glioblastome. Ensemble, ces deux éléments essentiels nous a permis de proposer un modus operandi maîtrisé qui permet d'établir une plateforme de sphéroïdes tumoraux reproductibles disponible pour une variété de tests (thérapeutiques, tumorigènes, de toxicité, etc.). L'émergence de nanoparticules dans l’environnement en raison de leur utilisation croissante constitue un problème majeur en santé publique. Notre plateforme 3D présente des propriétés potentiellement adaptées pour évaluer leur impact sur des systèmes vivants. Par conséquent, nous présentons dans ce projet une étude préliminaire de cette plateforme comme bioindicateur pour l'évaluation de la toxicité des nanoparticules d'argent manufacturées. Cette preuve de concept a été réalisée en suivant une méthodologie spécifique : 1) la conception et la caractérisation biologique du système 3D, 2) la caractérisation physico-chimique des nanoparticules d'argent, 3) l'évaluation de l'impact des nanoparticules sur la culture cellulaire 2D et 4) l'évaluation de l'impact sur la culture cellulaire 3D. L'écart entre les résultats obtenus en culture 2D et 3D souligne l'importance des modèles 3D dans les tests de toxicité.