Effect of Dynamic Loading Parameters on the Biomechanics and Biology of in Vitro Modulated Growth Plate Explants

La croissance longitudinale des os est gouvernée par l'ossification endochondrale, un processus pouvant être affecté par les chargements mécaniques. La régulation de la croissance osseuse par l'environnement mécanique réfère à la modulation mécanique de la croissance. Ce processus est considéré comme un facteur clé de la progression des déformations angulaires pendant le développement, comme la scoliose juvénile et adolescente. Récemment, le concept de modulation mécanique a été exploité pour le développement des traitements sans fusion de la scoliose en modulant localement la croissance vertébrale. La croissance longitudinale des os s'opère au droit des plaques de croissance situées aux extrémités des os longs et des vertèbres. Elle résulte d'une séquence spatio-temporelle contrôlée des chondrocytes à travers les trois zones (réserve, proliférative, hypertrophique) de la plaque de croissance. Le processus commence par la prolifération des chondrocytes à la limite de la zone de réserve, puis les chondrocytes se divisent et prolifèrent rapidement en formant des colonnes verticales. Après prolifération, les chondrocytes s'hypertrophient; leur volume est augmenté jusqu'à 7 fois. Enfin, le cartilage se calcifie et est envahi par les vaisseaux sanguins. La forme, la taille et l'organisation des chondrocytes ainsi que la composition de la matrice extracellulaire sont différentes dans les trois zones de la plaque de croissance. Dans cette étude, les effets des paramètres de chargement statiques et dynamiques sur les réponses biomécaniques et biologiques de la plaque de croissance ont été étudiés à trois niveaux. Tout d'abord, la viabilité des chondrocytes a été étudiée en réponse à différents paramètres. Cette étape a permis d'identifier l'ensemble des paramètres les moins dommageables pour la viabilité. D'autre part, les caractéristiques mécaniques des explants de la plaque de croissance ont été caractérisées en termes de patrons de déformation du tissu. Enfin, dans le but de trouver les relations entre les propriétés biomécaniques et les protéines structurales principales de la plaques de croissance, les contenus de protéines clés de la matrice extracellulaire ainsi que leur localisation ont été évalués. Dans ce projet, des explants de plaques de croissance porcines de quatre semaines ont été utilisés. Les explants ont été divisés en dix groupes expérimentaux: 1) référence, 2) contrôle, 3) trois groupes statiques et cinq groupes dynamiques. La modulation mécanique a été effectuée en utilisant un bioréacteur sous des conditions standard de culture.

Abstract

Longitudinal bone growth is mediated through endochondral ossification, a process that can be affected by mechanical loading. The regulation of bone growth by mechanical loading is referred to as mechanical modulation of bone growth and is considered to be the underlying factor for the progression of angular developmental deformities, such as juvenile and adolescent scoliosis. Recently, the concept of mechanical modulation has been exploited for development of fusionless treatments of scoliosis by locally modulating vertebral bone growth. Longitudinal bone growth occurs in growth plate cartilage located at the extremities of long bones and vertebrae. Bone growth is the result of a precisely controlled sequence of cell proliferation and differentiation. The growth process starts with chondrocytes at the end of reserve zone of growth plate, which start to divide and proliferate rapidly in a vertical columnar arrangement. After their proliferation stage, chondrocytes undergo hypertrophy, where their volume is increased up to 7 folds. Finally, the cartilage is calcified and invaded by blood vessels. Not only the shape, size and arrangement of chondrocytes are different in the three growth plate zones but the composition of extracellular matrix is also different. To date, many studies have evaluated the effects of different types of loading on growth plate responses with the purpose of finding the optimal loading condition for fusionless treatments. However still the effects of static vs. dynamic loading and dynamic loading parameters on biomechanical responses and biological responses of growth plate have not been fully identified. The goal of this thesis was to evaluate the effects of static vs. dynamic and dynamic loading parameters on growth plate biomechanical and biological responses. This has been investigated at three levels. First, chondrocytes viability was evaluated in response to each set of parameters. This step allowed identifying the most detrimental sets of parameters. Secondly, the mechanical characteristics of growth plate explants were characterized in terms of tissue strain patterns. Finally, in order to find the relationships between biomechanical properties and main structural proteins of growth plates, the protein content quantification and localization were performed. Growth plate explants from 4-week old swine were used in this project. The explants were divided into ten experimental groups: 1) baseline, 2) control, 3) three static groups and five dynamic groups. Mechanical modulation was performed using a bioreactor maintained in standard culture conditions. After mechanical modulation and culturing or right after dissection for baseline samples, each sample was divided into three parts for the three different levels of study.