Comparaison in vitro de la réponse mécanobiologique d'explants de plaques de croissance porcines sous chargements statique et dynamique.

The environment and mechanical forces may modulate the rate of bone growth. This is a
key concept in the progression of infantile and juvenile musculoskeletal deformities. The
mechanical modulation of growth is an increasing interest in the development and improvement
of minimally invasive approaches that aim at modulating local growth while preserving the
natural growth and functions of bone and bone segments. Bone longitudinal growth occurs in the
growth plate. Although several approaches advocated in pediatric orthopedics are based on
growth modulation, optimal loading parameters, allowing better control over the growth
modulation, are not clearly defined. Recent studies have investigated the effects of dynamic
versus static loads applied to growth plates, but have used uncontrolled loading parameters that
were nonequivalent in terms of average strain or not standardized. This study aims to determine
the differential effects between static and cyclic loadings, equivalent and standardized, on the
growth plate to determine which type of loading has the greatest potential for growth modulation.
Growth plate explants from 4-week-old swine were divided into four groups: baseline,
control, static loading and equivalent cyclic loading. A 10% compressive strain is applied on the
explants at a rate of 1.5E-03 s-1 and then kept constant. A sinusoidal compressive strain (0.1 Hz)
ranging from 7% to 13% (mean of 10%) is used for the dynamic group. The loads are maintained
over a 48 hours period using a micromechanical testing system installed in an incubator (37 ° C,
5% CO2). The control group is incubated under the same conditions but without loading. For the
baseline group, the explants were treated immediately after dissection. Following the tests,
histomorphometry of growth plates is characterized from explants fragment embedded in the
methylmethacrylate. The total thickness of the growth plate and the combined height of the
proliferative and hypertrophic zones are measured on histological sections stained with Toluidine
blue, and the combined ratio of the two lower zones compared to the total thickness is
evaluated. Statistical analyses are conducted to compare the response to static and dynamic
loads. The expression of aggrecan, type II collagen, type X collagen and MMP13 in the
extracellular matrix is characterized by immunohistochemistry on paraffin sections. Qualitative
analyses are completed to assess the level of expression of each protein as well as its location in
the growth plate. A comparative analysis shows trends and differences between groups.

Résumé

L'environnement et les forces mécaniques peuvent moduler le taux de croissance des os.
Ce phénomène constitue un concept clé dans la progression des malformations
musculosquelettiques infantiles et juvéniles. La modulation mécanique de la croissance est d'un
intérêt grandissant dans le développement et l'amélioration des approches minimalement
invasives qui visent la modulation de la croissance de manière locale tout en préservant la
croissance naturelle des os et les fonctions des différents segments osseux. La croissance
longitudinale des os s'opère au droit des plaques de croissance. Bien que plusieurs approches
préconisées en orthopédie pédiatrique soient basées sur la modulation de la croissance, les
paramètres de chargement optimaux, permettant un meilleur contrôle sur la modulation de la
croissance, ne sont pas clairement définis. Des études récentes ont investigué les effets d'un
chargement statique vs dynamique appliqué sur des plaques de croissance, mais ont utilisé des
paramètres de chargement non contrôlés, non équivalents en terme de chargement moyen
résultant, ou non normalisés. Cette étude vise à déterminer les effets différentiels entre
chargements statiques ou cycliques contrôlés, équivalents et normalisés sur la plaque de
croissance, afin de déterminer le type de chargement offrant le meilleur potentiel de modulation
de croissance.
Des explants de plaques de croissance porcines provenant de porcs âgés de 4 semaines ont
été divisés en 4 groupes : baseline, contrôle, chargement statique et chargement cyclique
équivalent. Une déformation en compression appliquée à un taux de 1.5E-03 s-1 puis maintenue
constante à 10% est appliquée sur les explants du groupe statique et une déformation en
compression sinusoïdale (0.1 Hz) variant de 7% à 13% (moyenne de 10%) est utilisée pour le
groupe dynamique. Les chargements sont réalisés sur une période de 48 heures à l'aide d'un
système de microchargement installé dans un incubateur (37 °C, 5% CO2). Le groupe contrôle est
incubé dans les mêmes conditions, mais sans chargement. Pour le groupe baseline, les explants
sont traités immédiatement après la dissection. Suite aux tests, l'histomorphométrie des plaques
de croissance est caractérisée à partir de fragment d'explants enrobés dans le méthylmétacrylate.
L'épaisseur totale de la plaque de croissance ainsi que la hauteur combinée des zones
proliférative et hypertrophique sont mesurées sur des coupes histologiques colorées au bleu de
Toluidine, puis le ratio combiné des deux zones inférieures par rapport à l'épaisseur totale est