Ecole Doctorale
Sciences du Mouvement Humain
Spécialité
Sciences du Mouvement Humain - MRS
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Distraction ostéogénique,Micro-indentation,G-CSF,Ingénierie tissulaire,Cellules souches/progénitrices,
Keywords
Distraction osteogenesis,Micro-indentation,G-CSF,Tissue engineering,Stem/progenitor cells,
Titre de thèse
Caractérisation et amélioration de los en cours de régénération : application à la distraction ostéogénique.
Characterization and improvement of bone regeneration: application to distraction osteogenesis
Date
Vendredi 9 Avril 2021 à 10:00
Adresse
Faculté des Sciences du Sport 163 Avenue de Luminy 13288 Marseille
Salle de Thèses
Jury
Directeur de these |
Mme Martine PITHIOUX |
Aix-Marseille Université Institut des Sciences du Mouvement UMR 7287 |
Rapporteur |
M. Thierry HOC |
Ecole Centrale de Lyon |
Rapporteur |
M. Hervé PETITE |
Université Paris Diderot - B3OA UMR CNRS INSERM 7052 |
Examinateur |
M. Patrick CAñADAS |
Université de Montpellier Laboratoire de Mécanique et Génie Civil |
Examinateur |
M. Franck LAUNAY |
Aix-Marseille Université Chirurgien orthopédiste pédiatre Hôpital de la Timone |
Résumé de la thèse
La distraction ostéogénique (DO) est une technique chirurgicale utilisée dans divers cas cliniques, permettant la correction de discordance de membres dorigine pathologique ou non, autorisant un gain de taille chez des patients atteints dachondroplasie ainsi que la correction de défauts osseux importants à la suite de traumatismes ou dexcision de tumeur osseuse. Ce protocole est organisé en trois phases distinctes. La première phase dite de latence débute après la chirurgie dostéotomie, avec la mise en place du fixateur externe et linduction de fracture. Sensuit une phase de distraction active où le fixateur externe est actionné éloignant ainsi les segments osseux lun par rapport à lautre. Une fois lallongement désiré atteint, la phase de consolidation débute permettant au régénérat osseux de se développer et se minéraliser. A lheure actuelle, le processus de DO est un protocole complexe, long et qui entraine de multiples complications telles que des infections, des pseudarthroses, des luxations, des contractures, des non-unions osseuses et des fractures itératives ou des déformations osseuses après ablation du fixateur externe. Autour de la DO gravite un grand nombre dinterrogations que ce soit sur les principes sous-jacents liés à lostéogénèse via linteraction de phénomènes de vascularisation et de formation osseuse, ou sur la caractérisation des propriétés mécaniques des divers tissus présents au sein du cal osseux. Pour cette thèse deux aspects de recherche ont été définis : la caractérisation des propriétés mécaniques des tissus minéralisés au cours de la DO et lamélioration du processus de régénération. Nous avons établi un modèle expérimental de distraction du fémur chez le rat en développant un fixateur externe ainsi quune ancillaire. Ce protocole nous a permis dobtenir un régénérat osseux fonctionnel validé par lanalyse des propriétés architecturales et mécaniques de ce dernier. Lanalyse des propriétés mécaniques à léchelle microscopique via des essais dindentation, nous a permis dobserver une augmentation des paramètres mécaniques dans la phase de consolidation traduisant une évolution temporelle. De plus, les paramètres étudiés étaient également dépendants des zones observées (cal périosté ou endosté), montrant aussi des variations dun point de vue spatial du cal osseux. Le second aspect sest porté sur lanalyse des effets d'une faible dose systémique de facteur de croissance G-CSF sur la consolidation osseuse. Celui-ci a un rôle sur la mobilisation des cellules souches/progénitrices hématopoïétiques (HSPC), des cellules progénitrices endothéliales (EPC) et des cellules stromales mésenchymateuses (MSC). La néovascularisation et la minéralisation ont été surveillées longitudinalement à l'aide de la tomographie par émission de positons et de la scintigraphie. Une analyse histologique a été effectuée et le nombre de HSPC, EPC et MSC circulantes a été étudié par cytométrie de flux. Les données obtenues nous indiquent que le G-CSF accélère la régénération osseuse et module la mobilisation des cellules souches/progénitrices pendant la DO.
Thesis resume
Distraction osteogenesis (DO) is a surgical technique used in various clinical cases, to correct discrepancies of limb (pathological or non-pathological origin), allowing a gain in size in patients with achondroplasia as well as the correction of important bone defects following trauma or bone tumor excision. This protocol is organized in three distinct phases. The first so-called latency phase starts after osteotomy surgery, with the placement of the external fixator and the induction of fracture. Then, an active distraction phase in which the external fixator is activated, moving the bone segments away from each other. Once the desired elongation is reached, the consolidation phase begins, allowing the bone regeneration to develop and mineralize. At present, the DO process is a complex, lengthy protocol that involves multiple complications such as infections, pseudarthrosis, dislocations, contractures, bone non-union and iterative fractures, or bone deformations after removal of the external fixator. Many questions still revolve around the DO, whether on the underlying principles related to osteogenesis via the interaction of vascularization and bone formation phenomena or on the characterization of the mechanical properties of the various tissues present within the callus. Thus, during this thesis two aspects of research were defined: the characterization of the mechanical properties of mineralized tissues during DO and the improvement of the regeneration process. We have established an experimental model of femur distraction in the rat by developing an external fixator and an ancillary device. This protocol allowed us to obtain a functional bone regeneration validated by the analysis of its architectural and mechanical properties. The analysis of the mechanical properties at the microscopic scale via indentation tests, allowed us to observe an increase in the mechanical parameters in the consolidation phase, reflecting a temporal evolution. Moreover, the observed parameters were also dependent on the areas examined (periosteal or endosteal callus), also showing variations from a spatial point of view of the bone callus. The second aspect concerned the analysis of the effects of a low systemic dose of G-CSF growth factor on bone consolidation. This affects the mobilization of hematopoietic stem/progenitor cells (HSPC), endothelial progenitor cells (EPC) and mesenchymal stromal cells (MSC). Neovascularization and mineralization were monitored longitudinally using positron emission tomography and scintigraphy. Histological analysis was performed and the number of circulating HSPC, EPC and MSC was studied by flow cytometry. The data obtained indicate that G-CSF accelerates bone regeneration and modulates stem/progenitor cells mobilization during DO.