The Short and Long Term Effects of in Vivo Cyclic Axial Compression Applied During Puberty on Bone Growth, Morphometry and Biomechanics

Pendant la croissance rapide pubertaire, les os sont sensibles aux stimuli mécaniques environnants. Les sollicitations mécaniques telles que les activités physiques fréquentes peuvent contribuer positivement au développement du squelette. Ces activités peuvent entrainer de faibles impacts (comme la marche, la natation, etc.) ou des impacts élevés (comme la course, le saut, etc.) selon la nature de l'activité physique. En plus de la charge mécanique, les facteurs nutritionnels contribuent également de manière significative au développement osseux pendant les périodes de croissance. Les effets des charges d'impact sur la croissance et le développement osseux au cours de l'adolescence ont été investigués par plusieurs chercheurs dans des études animales et cliniques, mais les résultats sont variables. Les recherches antérieures n'ont pas clairement abordé les effets isolés du chargement d'impact par rapport aux facteurs nutritionnels lors de l'évaluation de la croissance et du développement osseux. De plus, on ne sait toujours pas si les effets induits par les charges mécaniques pendant l'adolescence persistent à l'âge adulte et influencent les propriétés structurelles osseuses à long terme. L'objectif de cette thèse était d'évaluer in vivo les effets des charges cycliques en compression faibles, moyennes et élevées appliquées pendant la puberté sur la croissance osseuse (à maturité squelettique) ainsi que sur la qualité osseuse et la résistance mécanique (à l'âge adulte) en utilisant un modèle animal (tibia de rat). Cet objectif a été atteint en complétant quatre études complémentaires. Tout d'abord, une dose d'exposition aux rayons X à haute résolution mais sécuritaire a été déterminée pour l'imagerie in vivo répétée par micro-CT des tibias de rat en croissance qui n'affecterait pas la croissance ou la microstructure osseuses. Deuxièmement, relation contraintes-déplacements a été établie pour les tibias pendant la période de croissance pubertaire du rat. Un outil de modélisation informatique a également été mis au point et validé pour évaluer les contraintes de l'os sous compression. Troisièmement, les effets de trois niveaux de charges cycliques en compression à la puberté sur la croissance osseuse, la morphométrie et la biomécanique ont été évalués à maturité du squelette. Enfin, les effets de ces trois niveaux de charges cycliques en compression appliquées à la puberté sur la microstructure osseuse ont été évalués à la maturité du squelette et après près d'un an d'entraînement à l'âge adulte. Dans la première étude, trois doses de rayonnement micro-CT de 0,83, 1,65 et 2,47 Gy ont été testées.

Abstract

During the adolescent period, rapidly growing bones react sensitively to induced mechanical stimuli. Mechanical loadings such as daily physical activities can positively contribute to skeletal development. They can range from low impact activities (such as walking, swimming, etc.) to high impact activities (such as running, jumping, etc.) depending on the nature of the physical activity. Along with mechanical loading, nutritional factors also significantly contribute to bone development during growth periods. The effects of impact loadings on bone growth and development during the adolescent period have been investigated by several researchers in animal and clinical studies, but results are inconsistent. Previous research has not clearly addressed the isolated effects of impact loading from nutritional factors while evaluating bone growth and development. Moreover, it is still unclear whether the effects induced by mechanical loading during adolescence remains in adulthood and influence bone structural properties in the long term. The objective of this thesis was to evaluate the effects of in vivo low, medium, and high cyclic axial compression applied during puberty on bone growth (at skeletal maturity) as well as on bone quality and mechanical strength (at adulthood) using an animal (rat tibia) model. This objective was achieved by conducting four interconnected studies. First, a safe yet high-resolution effective radiation dose was determined for repeated in vivo micro-CT scanning of the growing rat tibiae, which would not affect bone growth or microstructure. Secondly, rat tibial displacements vs strains relationships were established for the adolescent growing period via a strain calibration study. A computational modeling tool was also developed and validated for assessing bone strains under compressive loading. Thirdly, the effects of three different cyclic axial compression during puberty on bone growth, morphometry and biomechanics were assessed at skeletal maturity. Finally, the effects of three different cyclic axial compression during puberty on bone microstructure were assessed both at skeletal maturity and after almost a year of detraining period at adulthood. In the first study, three micro-CT radiation doses of 0.83, 1.65 and 2.47 Gy were tested. The right tibiae of male Sprague-Dawley rats were scanned using an in vivo micro-CT scanning protocol from their 4th to 12th week of age with these radiation doses. The left tibiae were used as control. The left tibiae were only scanned on the last day, before sacrifice. Bone marrow cells were investigated, bone growth rates and histomorphometric analyses were performed, and bone structural parameters were determined for both left and right tibiae.