Stress Relaxation of Growth Plate Tissue under Uniform Compressive Load : Relationship Between Mechanical Response and Extracellular Matrix Bio-Composition and Structure

La modulation mécanique de la croissance osseuse a des implications dans la progression des déformations musculo-squelettiques telles que la scoliose idiopathique adolescente. Ce processus présente aussi un intérêt croissant pour le développement et l'amélioration des approches minimalement invasives de correction de ces déformations musculo-squelettiques en modulant localement la croissance osseuse, tout en préservant la croissance normale ainsi que les fonctions et mobilités segmentaires. La croissance longitudinale des os longs et des vertèbres s'effectue au droit des plaques de croissance, qui sont divisées en trois zones histologiques distinctes (réserve, proliférative et hypertrophique). La matrice extracellulaire de la plaque de croissance est principalement composée d'eau et de protéoglycanes imbriquées dans des fibrilles de collagène de type II, qui sont considérées comme des composants déterminants des propriétés biomécaniques des tissus cartilagineux. Des études antérieures ont étudié le comportement biomécanique des plaques de croissance, mais aucune étude n'a à ce jour analysé le comportement mécanique en compression de la plaque de croissance et de ses zones in situ à l'égard de sa composition biochimique et de l'organisation de ses fibres de collagène. L'objectif principal de cette étude était de déterminer les caractéristiques histomorphologiques et le comportement mécanique des plaques de croissance aux niveaux cellulaire et tissulaire, d'évaluer la composition biochimique et l'orientation des fibres de collagène de la plaque de croissance dans ses trois zones distinctes, puis d'établir des associations entre le comportement mécanique et la composition biochimique de la plaque de croissance. Cinq groupes d'explants de plaques de croissance provenant de porcs âgés de quatre semaines ont été utilisés dans ce projet. Le premier groupe d'explants (N=12) a été utilisé pour caractériser l'histomorphologie 3D de la plaque de croissance in situ aux niveaux cellulaire (volume, aire surfacique, sphéricité, et rayons mineur/majeur) et tissulaire (ratio cellule/matrice extracellulaire), en utilisant un marquage fluorescent du cytoplasme cellulaire (Calcéine AM) couplé à la reconstruction 3D des coupes sériées d'images numériques confocales (logiciel IMARIS). Afin de caractériser le comportement mécanique sous compression de la plaque de croissance et de ses cellules constitutives en 3D, un second groupe d'explants de cartilage de croissance (N=6), dont les cytoplasmes cellulaires ont été marqués à la Calcéine AM, a été testé sous compression

Abstract

Mechanical loading has key implications in the progression of infantile and juvenile musculoskeletal deformities. Furthermore, the mechanical modulation of growth is of growing interest in the development and improvement of minimally invasive approaches that aim at modulating local bone growth while preserving the natural growth and functions of bone and bone segments. Longitudinal growth of long bones and vertebrae occurs in growth plates, which are divided into three distinct histological zones (reserve, proliferative and hypertrophic). Growth plate extracellular matrix is composed of water, large aggregating proteoglycans embedded within type II collagen fibrils, which are believed to be a critical determinant of tissue biomechanical competence. Previous studies have investigated the biomechanical behaviour of growth plates but no study up to date has comprehensively analyzed the zonal growth plate compressive mechanical behaviour in situ with respect to its biochemical composition and collagen fiber organization. The main objective of this study was to characterize the histomorphological characteristics and mechanical behaviour of growth plates at both cellular and tissue levels and to evaluate the biochemical composition and collagen fiber orientation of growth plate tissue in the three functionally distinct zones and to further establish associations between zonal mechanical behavior and biochemical composition of the growth plate. Five groups of growth plate explants from 4-week old swine were used in this project.The first group of explants (N=12) was used to characterize the 3D zonal histomorphology of in situ growth plate at the cellular (volume, surface area, spherecity, minor/major radii) and tissue (cell/matrix volume ratio) levels using fluorescent labeling of cell cytoplasm (Calcein AM) coupled with 3D reconstruction of serial confocal sections (IMARIS software). In order to characterize the three-dimensional compressive mechanical behaviour of the growth plate tissue and its constitutive cells, a second group of growth plate explants (N = 6), labeled with Calcein AM for cell cytoplasm, were tested in semi-confined compression under stress relaxation using a loading apparatus mounted on the stage of an inverted confocal microscope. These explants were subjected to 15% compressive strain (5% pre-strain and 10% strain) at a rate of 1.7x10-3s-1 until equilibrium. Serial sections of Calcein AM loaded explants were taken at two time points: prior to compression loading and after tissue relaxation. Three dimensional reconstruction of the serial sections taken pre-and post loading were completed from images taken separately in three zones