Analyse histomorphométrique de la colonne vertébrale porcine instrumentée avec une agrafe intravertébrale

La scoliose est une déformation de la colonne vertébrale dans les trois plans de l‟espace dont la forme la plus courante est la scoliose idiopathique adolescente (SIA). Selon l‟amplitude de la déformation initiale et du potentiel de croissance restant, la déformation peut progresser et causer des problèmes vitaux, au niveau du système respiratoire, par exemple. Le traitement de la SIA vise à empêcher la progression de la courbure et dépend, entre autres, du degré de la déformation initiale. Les courbures de plus de 45º sont sujettes à une chirurgie correctrice avec une instrumentation rigide, généralement combinée à une fusion vertébrale. Cette chirurgie est très invasive et inclut plusieurs risques et complications chez ces jeunes patients. Par conséquent, des nouvelles approches, se basant principalement sur la modulation de croissance (ou loi de Hueter-Volkmann), sont actuellement en développement. Un exemple de ces nouvelles approches a été développé il y a quelques années dans le cadre d‟un projet de thèse. Il s‟agit d‟une agrafe intravertébrale exploitant le potentiel de croissance vertébral et agissant simultanément sur les deux plaques de croissance de chaque vertèbre. Cet implant a été testé dans un modèle porcin avec une approche inverse. Les résultats de cette étude ont montré que l‟implant a réussi l‟induction d‟une scoliose chez les animaux expérimentaux. Néanmoins, les effets locaux sur les tissus entourant l‟implant restent à caractériser. L‟objectif général de ce mémoire était d‟exploiter le matériel expérimental disponible pour mieux comprendre les effets locaux de l‟agrafe intravertébrale. Une première étude histologique a été réalisée sur les vertèbres porcines (T7-T8-T9, segment testé) préalablement instrumentées avec l‟agrafe intravertébrale (n=7, groupe expérimental) et contrôles (n=4, groupe contrôle). Ces vertèbres ont été préparées pour mesurer le taux de croissance moyen (TCM) et les paramètres suivants pour l‟évaluation de l‟histomorphométrie des plaques de croissance : l‟épaisseur moyenne (EM) des zones proliférative et hypertrophique, la hauteur moyenne des cellules hypertrophiques (HM) ainsi que la densité linéaire des cellules prolifératives (DL). Chaque plaque croissance a été analysée en trois régions: (1) gauche (ou côté non-instrumenté dans le groupe expérimental); (2) centrale; et (3) droite (ou côté instrumentée dans le groupe expérimental). Les mêmes analyses ont été faites sur les vertèbres adjacentes à l‟instrumentation (T11 et T12, segment adjacent) pour les deux groupes : expérimental et contrôle. Les résultats ont été comparés en utilisant la différence entre les régions 1 et 3 (Dif-R1R3) pour les deux groupes à l‟aide d‟une analyse ANOVA à un facteur contrôlé pour des mesures répétées (p<0.05). Les résultats de cette première série d‟expériences ont montré une augmentation significative de la Dif-R1R3 pour tous les niveaux testés du groupe expérimental par rapport au groupe contrôle, pour le TCM (1.4±0.7 μm/jour et 0.5±0.2 μm/jour, pour les trois niveaux combinées) et l‟EM de la zone hypertrophique (5.0±2.9 μm et 1.4±0.9 μm, respectivement pour les trois niveaux combinées). Par ailleurs, cette Dif-R1R3 a été aussi significativement augmentée dans le groupe expérimental pour la HM au niveau T7, la DL au niveau T8, et l‟EM de la zone proliférative aux niveaux T7 et T8. Ces résultats ont confirmé l‟efficacité de l‟implant pour moduler la croissance des vertèbres du côté instrumenté. Cette modulation a été traduite au niveau de la plaque de croissance par une diminution dans les paramètres histomorphométriques des zones hypertrophique et proliférative, mais seulement à certains niveaux rachidiens. La diminution dans ces paramètres pourrait être associée à la rigidité des zones proliférative et hypertrophique. Ces deux zones ont été observées comme les moins rigides de la plaque de croissance et sont, par conséquent, celles qui expérimentent la plus grande déformation sous compression. Pour le niveau adjacent, aucune courbure compensatoire n‟a pas été détectée; les résultats n‟ont montré aucune différence significative dans les paramètres évalués. Une deuxième étude a permis d‟évaluer qualitativement l‟histologie du disque intervertébral (DIV) des deux segments, testé et adjacent, provenant des deux groupes. Le système de notation histologique de Rutges a été utilisé afin d‟évaluer le niveau de dégénérescence du DIV. Les résultats de cette étude ont montré un DIV sain ou avec une dégénérescence légère dans 100% des disques du groupe contrôle pour les deux régions 1 et 3. Pour le groupe expérimental, tous les DIVs ont présenté, dans la région 1, une dégénérescence modérée ou sévère. Dans la région 3, 7.1% des DIVs ont été évalués comme légèrement dégénérés, 35.7% avec une dégénérescence modérée, alors que 50% des disques ont présenté une dégénérescence sévère ou même complète. Pour les niveaux adjacents, les DIVs des deux groupes ont présenté des scores totaux très bas (entre 0 et 1 la plus part), indiquant la préservation de la santé à ce niveau. La dégénérescence observée au niveau testé est possiblement causée par un encombrement du disque dû à son épaisseur chez les porcs (deux fois plus mince que chez les humains) et à l‟épaisseur de la dent de l‟agrafe. Dû à ces limites, le modèle animal utilisé n'a pas permis de valider complètement les effets de l‟implant sur le DIV. Par ailleurs, un placement incorrect de l‟implant peut également accentuer ce processus de dégénérescence. Par conséquent, des améliorations seraient requises, entre autres, au niveau de l‟épaisseur des dents de l‟agrafe et de son positionnement par rapport au DIV, ainsi que de la taille et du positionnement des vis, pour assurer la préservation de la santé des disques. Les résultats obtenus dans cette étude permettent de conclure sur certains aspects contribuant au développement d‟implants sans fusion. En premier lieu, l‟agrafe intravertébrale permet une modulation de croissance locale chez les vertèbres instrumentées. Cette modulation a été confirmée au niveau de la plaque de croissance à partir d‟une réduction du TCM local du côté de l‟implant, et des changements significatifs dans les paramètres histomorphométriques. Cependant, les effets de ce nouveau dispositif sur le DIV n‟ont pas pu être complètement validés, principalement à cause de l‟épaisseur du DIV du modèle animal utilisé. À cet effet, des analyses supplémentaires seraient nécessaires afin d‟évaluer l‟impact inhérent de l‟implant sur les disques. Toutes ces informations sont d‟intérêt pour améliorer et développer de nouveaux implants, qui empêcheraient la progression de certaines pathologies musculo-squelettiques chez les enfants et adolescents.

Abstract

Scoliosis is a 3D spinal deformity, presenting curvature(s) in the coronal plane but also vertebral rotation in the transverse plane and an altered sagittal profile. Its more common form is the Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS). Depending on the initial magnitude of the deformity and on the remaining growth potential, the curvature can progress to eventually affect vital systems, such as the lungs. AIS treatments aim at preventing curve progression and depend on the initial curvature, among other factors. Curves over 45º will undergo surgery with rigid instrumentation of the spine, often combined with vertebral fusion. This is a very invasive procedure, which includes surgical risks and causes severe complications for these young patients. Therefore, efforts are being made to develop new alternatives, based on the mechanical modulation of bone growth (or Hueter-Volkmann law). One of these new alternatives was developed a few years ago as part of a thesis project. This implant consists of an intra-vertebral staple that harnesses the entire growth potential of given vertebrae while acting on both vertebral growth plates. It was tested on a porcine model with the inverse approach. The results of this study successfully showed an induction of scoliosis in the experimental animal subjects. However, the effects of the implant on the surrounding spinal tissues remain to be characterized. The overall objective of this project was to exploit the experimental data to better understand the local effects of this intra-vertebral staple. First, a histological study was done using the porcine vertebrae (T7-T8-T9, tested segments) previously instrumented with the intra-vertebral staple (n=7, experimental group) and the control vertebrae (n=4, control group). These vertebrae were prepared for measurement of average growth rate (AGR) and histomorphometric parameters including heights of the proliferative (PZH) and hypertrophic (HZH) zones, hypertrophic cells height (CH) and the number of proliferative chondrocytes per column (CC). Each growth plate was analyzed in three regions: (1) left (or non-instrumented side in the experimental group); (2) central; and (3) right (or instrumented side in the experimental group). The same analyses were completed on the adjacent vertebrae (T11 and T12, adjacent segments) for both groups: experimental and control. Results for all analyses were compared for the two groups as the difference between regions 1 and 3 (Dif-R1R3) using a one-way ANOVA for repeated measures (p<0.05). The results of this first series of experiments showed a significantly higher Dif-R1R3 for all tested segments of the experimental group compared with the control one for the AGR (1.4±0.7 μm/jour and 0.5±0.2 μm/jour, respectively all levels combined) and HZH (5.0±2.9 μm and 1.4±0.9 μm, respectively all levels combined). Moreover, this Dif-R1R3 was also significantly higher in the experimental group for the CH at T7 level, the CC at T8 level, and for the PZH at T7 and T8. These results confirm the potential of the implant to modulate vertebral growth over the instrumented side. This modulation was translated in the growth plate as a decrease in histomorphometrical parameters of hypertrophic and proliferative zones, although not in all tested segments. The changes on these parameters could be associated with the stiffness of the proliferative and hypertrophic zones. These two zones have been characterized as the less rigid growth plate zones, hence the ones that experiences the greatest deformation under compression. On the other hand, no significant changes were found for all analyses in the adjacent segments between the experimental and control group. Indeed, no compensatory curvature was detected at this level. A second study allowed to qualitatively evaluate the histology of the intervertebral disc (IVD) from the two segments, tested and adjacent, of both groups. This analysis was done using the Rutges histological score system to characterize the degeneration level on the IVD. The results showed that a healthy IVD or slightly degenerated in 100% of control IVDs for both regions 1 and 3. Furthermore, in the experimental group, all IVDs presented a moderate or severe degeneration in region 1. In region 3, 7.1% of IVDs were found with a slight degeneration, 35.7% with a moderate degeneration, whilst 50% of IVDs presented a severe or even complete degeneration. At the adjacent segments, the IVDs from both groups presented the lowest scores (between 0 and 1 mostly), indicating health preservation at this level. The observed degeneration at the tested level was possibly caused by a congestion of the IVD space due to its reduced thickness in pigs (half as thick as that of humans), combined with the thickness of the prong from the staple. Due to these limits, the animal model used for this analysis did not allow the complete validation of implant‟s effects on the IVD. Furthermore, an inaccurate placement of the implant might highlight this degeneration process. Therefore, improvements would be needed on the thickness of the prongs and their placement relative to the IVD, as well as on the length of screws and their respective positioning in order to ensure the preservation of IVD health. The results from this study allow conclusions on some aspects towards the development of fusionless implants. The intra-vertebral staple could modulate vertebral growth, and this modulation was supported at the growth plate level by a reduction in the AGR and significant changes in the histomorphometric parameters. However, the effect of this new device on the preservation of IVD could not be completely validated, mainly because of the relative thickness of the disc of the animal model used. Therefore, further analyses would be needed in order to better understand the inherent effects of the implant on the IVD. All this information is of interest to improve and develop new implants, which will prevent the evolution of progressive musculoskeletal conditions in children and adolescents.