Application suivie du retrait de compression statique versus dynamique in vivo chez le rat : effets sur la croissance osseuse et le disque intervertébral

L'environnement mécanique est essentiel pour permettre la croissance normale des os longs et vertèbres. À l'inverse, les chargements mécaniques peuvent aussi entrainer la progression de déformations musculosquelettiques pédiatriques, comme la scoliose idiopathique adolescente, une déformation tridimentionnelle du rachis. Plus spécifiquement, le principe de modulation mécanique de la croissance indique que l'augmentation de compression ralentit la croissance alors que la réduction de compression l'accélère. De nouvelles approches sans fusion pour le traitement des jeunes patients avec des scolioses précoces sévères ou idiopathiques adolescentes modérées sont basées sur ce principe et exploitent le potentiel de croissance restant des patients pour corriger les déformations. Ces approches sont dites sans fusion entre les niveaux vertébraux adjacents car elles évitent d'enlever les disques, comme dans les chirurgies standard avec instrumentation, permettant ainsi de maintenir la mobilité rachidienne. Or, comme les patients peuvent avoir un potentiel de croissance résiduel après correction de leurs déformations et retrait des implants, il convient de s'assurer que ce potentiel de croissance demeure actif après la fin du traitement. Des études in vivo ont montré que les chargements dynamiques préservaient davantage la plaque de croissance. Cependant, aucune étude in vivo n'a caractérisé la modulation de croissance suite à différents profils de chargements dynamiques. Par ailleurs, la reprise possible de croissance suite au retrait de compression contrôlée n'a jamais été investiguée. De plus, les chargements mécaniques sont également un des facteurs contribuant à la dégénérescence discale. Il devient donc d'intérêt d'investiguer la réponse mécanobiologique du disque intervertébral sous une compression visant la modulation de croissance souhaitée par les traitements sans fusion du rachis. L'objectif général de ce projet consiste à appliquer in vivo, avec le modèle du rat, une modulation de croissance osseuse contrôlée et à vérifier si l'intégrité tissulaire et fonctionnelle de la plaque de croissance et du disque intervertébral est préservée suite à l'application de différents profils de compressions statiques et dynamiques et ce, immédiatement suite au chargement et également suite à une période subséquente de retrait du chargement. Tout d'abord, une première étude expérimentale a été réalisée sur des rats répartis en cinq groupes : contrôle, sham (0 MPa), dynamique à haute fréquence (0.2 MPa ± 30% à 1.0 Hz), dynamique à haute amplitude (0.2 MPa ± 100% à 0.1 Hz), et dynamique avec hautes fréquence et amplitude (0.2 MPa ± 100% à 1.0 Hz). Un appareil de micro-chargement a été implanté pour transmettre les compressions à la 7ème vertèbre caudale, pendant 15 jours. Les taux de croissance, la hauteur totale de la plaque de croissance et de ses zones, la hauteur des chondrocytes hypertrophiques et la densité linéaire de la zone proliférative ont ensuite été mesurés et comparés entre les groupes. Les résultats montrent que la modulation mécanique de croissance est contrôlée par la contrainte moyenne. En effet, le taux de croissance a diminué similairement de 22.4% et 23.0%, respectivement pour les dynamiques avec augmentation de fréquence ou bien d'amplitude comparé aux shams. Les hauteurs totales et des zones des plaques de croissance ainsi que la hauteur moyenne des chondrocytes hypertrophiques et la densité linéaire de chondrocytes prolifératifs sont demeurés similaires entre shams et dynamiques avec augmentation de fréquence ou bien d'amplitude.

Abstract

Mechanical loading is essential for normal bone growth of long bones and vertebrae. Conversely, mechanical loading can also lead to the progression of pediatric musculoskeletal deformities, such as adolescent idiopathic scoliosis, a three-dimensional spinal deformity. More specifically, the principle of the mechanical modulation of bone growth states that increasing compression reduces bone growth, while reducing compression accelerates it. Novel fusionless approaches for the treatment of pediatric patients with severe early onset scoliosis or moderate adolescent idiopathic scoliosis are based on this principle and exploit the remaining growth potential of patients to correct deformities. These approaches are fusionless since they avoid adjacent vertebral fusion and disc retrieval, as in standard surgery procedures using heavy instrumentation, and therefore maintain spinal mobility. However, since patients can still have remaining growth potential after correction of their deformities and implant removal, it is important to ensure that this growth potential remains active post-treatment. In vivo studies have shown that dynamic loading would better preserve growth plate tissue. However, no in vivo study has investigated growth modulation following several dynamic loading conditions or possible growth resumption after removing controlled loading. In addition, mechanical loading contributes to disc degeneration. It is therefore of interest to investigate the mechanobiological response of the intervertebral disc under compression used for fusionless treatments applications to modulate growth. The overall objective of this project is to apply in vivo controlled bone growth modulation using the rat tail model in order to verify if the integrity of growth plate and intervertebral disc tissues and their functionalities is preserved following different profiles of static and dynamic compression, immediately following loading, and after a period of unloading. First, an experimental study was conducted on rats divided into five groups: control, sham (0 MPa), dynamic at high frequency (0.2 MPa ± 30% at 1.0 Hz), dynamic with high magnitude (0.2 MPa ± 100% at 0.1 Hz), and dynamic with both high frequency and magnitude (0.2 MPa ± 100% at 1.0 Hz). A micro-loading device was implanted to apply compression to the 7th caudal vertebra for 15 days. Growth rates, growth plate total height and zone height, hypertrophic chondrocyte height and linear density in the proliferative zone were measured and compared between groups. Results show that mechanical modulation of bone growth is controlled by the average stress value. Growth rate was similarly reduced by 22.4% and 23.0%, respectively for the dynamic group with increased frequency or magnitude compared with shams. Growth plate total height and zone height, as well as hypertrophic chondrocyte mean height and linear density of proliferative chondrocytes remained similar between the sham and dynamic group with either increased frequency or magnitude. However, the combination of increased frequency and magnitude lead to infection, suggesting that the resulting stress on tissues exceeded the theoretical mean stress value (0.2 MPa) as well as the tissue adjustment capacity. A second experimental study was conducted on rats distributed in two groups (2 weeks and 4 weeks), each of them containing four subgroups: control, sham (0 MPa), static (0.2 MPa) and dynamic (0.2 MPa ± 30% at 0.1 Hz). In the 2 week group, rats sustained 15 days of compression, while rats in the 4 week group received 15 days of compression followed by 10 days of unloading prior to euthanasia.