Soutenance mémoire
Principaux modèles animaux de résection osseuse
Les cellules synthétisant et résorbant la matrice osseuse
Les ostéoblastes sont des petites cellules polyédriques à cytoplasme basophile, mononuclées, dont l’origine n’est pas encore clairement établie. Elles proviendraient de la différenciation de cellules mésenchymateuses indifférenciées dont l’aspect morphologique est indiscernable de celui des fibroblastes. Ainsi, des cellules issues de l’endoste, de la couche cambiale du périoste et du stroma médullaire, sont capables de se différencier indépendamment de tout stimulus inducteur ; ce sont les cellules précurseurs ostéogéniques prédéterminés (determined osteogenic precursor cells : D.O.P.C.). D’autres cellules présentes dans la moelle osseuse, les tissus conjonctifs et le sang circulant peuvent se différencier sous l’action de facteurs de croissance ; ce sont les cellules ostéoprogénitrices inductibles (inducible osteogenic precursor cells : I.O.P.C.). La différenciation de ces cellules est séquentielle : in vivo, les cellules souches mésenchymateuses se différencient en cellules ostéoprogénitrices puis en pré-ostéoblastes, en ostéoblastes de transition et en ostéoblastes sécrétants. Le rôle des ostéoblastes est d’élaborer la matrice organique et d’assurer sa minéralisation. Ils peuvent stocker de grandes quantités de calcium et de phosphore. D’autre part, ils synthétisent des facteurs de croissance. L’interaction de ces cellules avec le collagène de type IV et la laminine de la membrane basale des capillaires est suivie de la synthèse des constituants de la matrice extra-cellulaire. Les ostéoblastes se déposent en couches monocellulaires au contact de l’os et déposent une matrice constituée de collagène, de protéines non collagéniques et de protéoglycanes : l’ostéoïde. Celle-ci, d’une épaisseur de 8 à 10 µm, se calcifie 10 à 20 jours plus tard, au rythme de 0,75 à 1 µm par jour.
Il est possible d’identifier spécifiquement, par immuno-marquage, les cellules à partir du stade pré-ostéoblastique.
– Les ostéocytes sont des cellules allongées, mononuclées, possédant de nombreuses extensions cytoplasmiques pénétrant les canalicules en relation avec le canal de Havers. Les ostéocytes voisins sont en contact les uns avec les autres par le biais de zones jonctionnelles situées entre deux extensions cytoplasmiques et au niveau desquelles s’effectuent des échanges moléculaires. Ces connexions sont également présentes entre ostéocytes et ostéoblastes. L’ostéocyte proviendrait de certains ostéoblastes qui ayant synthétisé et minéralisé la matrice osseuse, se trouveraient enfermés dans un système canaliculaire au sein de l’os néoformé (51). La différenciation des ostéoblastes en ostéocytes résulterait de leur interaction avec le collagène de type IV et la laminine de la membrane basale des capillaires mais aussi de leur interaction avec la matrice extracellulaire qu’ils synthétisent et qui contient du collagène de type I, des protéines non-collagéniques comme l’ostéopontine, l’ostéonectine et l’ostéocalcine (51). Les ostéocytes jeunes possèdent une morphologie proche de celle des ostéoblastes alors que les ostéocytes plus anciens, plus profondément enfouis dans l’os sont de taille inférieure et de forme ovoïde. L’ostéocyte intervient dans la régulation calcique et dans l’entretien et le renouvellement de la matrice osseuse selon des mécanismes non encore élucidés. Les ostéocytes sont identifiables par immuno-marquage (20).
– Les ostéoclastes sont de grandes cellules polynucléées, de 20 à 100 µm de diamètre et proviendraient de la différenciation de cellules monocytaires contenues dans le stroma médullaire (48, 51). La principale fonction des ostéoclastes est d’assurer la résorption de la matrice osseuse minéralisée sur laquelle ils se fixent par le biais de protéines présentes à la surface de l’os : l’ostéopontine et l’intégrine. La résorption s’effectue grâce à la libération par l’ostéoclaste de phosphatases acides, d’anhydrase carbonique qui en abaissant le pH du milieu, détruisent dans un premier temps le cristal osseux. Dans un second temps, la trame collagénique est phagocytée par les ostéoclastes. La lyse protéique s’effectue grâce à l’intervention de protéases. Les débris sont ensuite libérés par exocytose. Les cavités de résorption ou lacunes de Howship, créées par ces cellules, sont ensuite comblées par l’os déposé par les ostéoblastes. L’activité de l’ostéoclaste est sous l’influence de facteurs de croissance et d’un couple d’hormone à effets antagonistes : la parathormone qui la stimule et la thyrocalcitonine qui la déprime..
– Les basic multicellular units ou BMU sont des unités fonctionnelles multicellulaires constituées d’ostéoclastes résorbant la matrice osseuse, de vaisseaux et d’ostéoblastes déposant la matrice. Elles assurent le remodelage osseux, que celui-ci soit consécutif à un traumatisme (remodelage d’un cal) ou physiologique. Ces unités créent l’ostéon, structure anatomique constituée d’un canal de Havers central de 22 à 110 µm de diamètre contenant vaisseaux sanguins et lymphatiques, entourés de 4 à 20 couches de lamelles concentriques (51, 90). Cette organisation haversienne est caractéristique de l’os humain : le diamètre de ces ostéons est en moyenne chez l’homme de 200 µm. On la retrouve chez le chien, le porc et à la suite du remodelage secondaire, chez les ruminants pour lesquels l’organisation est au départ lamellaire (28).
Les médiateurs
Un grand nombre de facteurs solubles influent localement sur le recrutement, la multiplication et la différenciation des cellules osseuses. L’activité de ces cytokines (facteurs de croissance, interféron, interleukines, facteurs stimulant les colonies) se manifeste aussi bien au cours de la croissance osseuse que du remodelage. Ces facteurs ostéo-inducteurs n’agissent pas seuls mais en association, selon des modalités non encore déterminées. Leur activité se manifeste à plusieurs niveaux (10, 44) : – ils régulent la synthèse, par les cellules, de protéinases, de protéines porteuses, de prostaglandines, de leucotriènes et de produits du métabolisme de l’oxygène, – ils régulent la synthèse cellulaire d’autres cytokines agissant sur d’autres cellules, – ils régulent la production de la matrice extracellulaire, – ils régulent la production de récepteurs cellulaires de surface.
¾ Les facteurs de croissance (Growth Factors : GF) sont des protéines non collagéniques produites par les cellules du stroma médullaire et les ostéoblastes. Présents dans la matrice osseuse, les plaquettes, les ostéoblastes et les cellules du stroma médullaire, les principaux facteurs de croissance sont les Transforming Growth Factors β1 et β2 (TGF), les plus abondants, les Insulin like Growth Factors (IGF), le basic Fibroblastic Growth Factor (FGF) et le Platelet Derived Growth Factor (PDGF) (58). Lorsque ces facteurs sont en réserve
dans la matrice osseuse, ils sont liés à des protéines porteuses (Binding Proteins Growth Factors : BPGF) qui ont une très forte affinité pour l’hydroxyapatite : c’est le cas des IGF. Ils peuvent aussi être liés à des glycoprotéines (TGF β et PDGF) ou à des glycosaminoglycanes (FGF) de la matrice. Ces liaisons protègent ces polypeptides de la dégradation enzymatique et modulent leur concentration locale et leur activité biologique. Ils stimulent la synthèse de l’ADN, la mitose et la synthèse cellulaires. Les TGF β stimulent ainsi de manière importante la multiplication des cellules précurseurs prédéterminées (pré-ostéoblastes) présentes dans la moelle et le périoste (44). Ils exerceraient également un chimiotactisme vis à vis des ostéoblastes (76) et moduleraient l’angiogénèse aussi bien in vivo qu’in vitro (105). Les Bone Morphogenetic Protein (BMP) constituent un ensemble de protéines présentes dans la matrice osseuse. Toutes, à l’exception de la BMP-1, présentent une forte homologie de séquence avec le TGF β1 et ont des effets proches des TGF β1 et 2 (44). Elles sont donc regroupées dans la super famille des TGF β. La principale fonction des BMP est d’induire la différenciation de cellules souches mésenchymateuses en chondroblastes ou en ostéoblastes en modifiant le phénotype des cellules indifférenciées leur étant sensibles : les Inducible Osteoprogenitor Cells (IOPC), abondamment présentes dans les muscles ou les tissus conjonctifs et dans le stroma médullaire, et les Determined Osteoprogenitor Cells (DOPC) présentes dans le stroma médullaire et à la surface de l’os (36, 60). Le mécanisme de différenciation de ces cellules n’est pas encore clairement établi. Les BMP se fixeraient à leur surface par l’intermédiaire de la fibronectine et modifieraient la charge de la surface membranaire (29). Ceci activerait un gène responsable de la chondrogénèse dans l’ADN. Les cellules ainsi différenciées transmettent l’information génétique à leur descendance, s’intègrent aux autres cellules osseuses et participent au remodelage. Elles produisent par ossification endochondrale un ossicule composé d’un cortex lamellaire et d’une cavité médullaire.
¾ Les facteurs stimulant les colonies (Colony Stimulating Factors ou CSF) ont un rôle dans la prolifération des précurseurs des ostéoclastes ou leur différenciation en ostéoclastes. A titre d’exemple le granulocyte macrophage stimulating factor (GM-CSF) intervient à plusieurs stades de la différenciation des ostéoclastes .
L’ostéogénèse est donc initiée et régulée par un grand nombre de facteurs qui affectent la prolifération des précuseurs et leur progression en cellules différenciées. Comme le précise MARIE (70), l’activité de formation et la quantité de matrice osseuse synthétisée résultent principalement de la multiplication cellulaire initiale. La néoformation osseuse est déclenchée par les TGF β libérés par la résorption de la matrice osseuse par les ostéoclastes. Ces facteurs exerceraient un chimiotactisme vis à vis des précurseurs ostéoblastiques jusqu’aux lacunes de résorption puis stimuleraient leur prolifération. Ces cellules libèrent alors des BMP qui permettent leur différenciation en ostéoblastes et la synthèse de la matrice osseuse. Les facteurs de croissance sont libérés au fur et à mesure de la différenciation cellulaire qui est séquentielle, et jouent un rôle autocrine et paracrine . La prolifération et l’activité des cellules ostéoblastiques sont également régulées par un grand nombre d’hormones (32, 70, 90). Celles-ci ont des effets directs sur les ostéoblastes, via des récepteurs spécifiques et modulent l’activité ostéoblastique par l’intermédiaire de facteurs locaux. Nous n’en donnerons que quelques exemples. L’effet mitogène de certaines hormones (œstrogènes, androgènes, progestérone), est induit directement par une stimulation de la synthèse de TGF β et d’IGF par les ostéoblastes (70). La parathormone (PTH) stimule la production de TGF β et d’IGF et de certaines protéines porteuses. La PTH et les glucocorticoïdes modulent la liaison du TGF β à ses récepteurs. Enfin, les effets locaux des facteurs de croissance sont fréquemment modulés et amplifiés par les hormones calciotropes.
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Guide du mémoire de fin d’études avec la catégorie Principaux modèles animaux de résection osseuse |
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Table des matières
LISTE DES FIGURES
LISTE DES PHOTOGRAPHIES
LISTE DES TABLEAUX
INTRODUCTION
I – ETAT DE LA QUESTION
A- Les résections osseuses segmentaires de grande taille chez l’homme
1) Indications cliniques des résections segmentaires diaphysaires de grande taille
2) Problèmes posés par la perte de substance osseuse
a) Problèmes d’ordre biomécanique
b) Problèmes d’ordre biologique : les non-consolidations
♦ Les acteurs de la restauration osseuse et les mécanismes la régulan
@ La matrice osseuse.
@ Les cellules synthétisant et résorbant la matrice osseuse
@ Les médiateurs
@ La vascularisation
@ L’environnement mécanique
♦ La cicatrisation des pertes de substance osseuses expérimentales : « critical size defect » et non-consolidation
@ Restauration osseuse en présence de pertes de substance de petites dimensions, inférieures à la CDS
@ Non-consolidation osseuse en présence de pertes de substance de grandes dimensions, supérieures à la CDS
♦ Les facteurs aggravant la perte de substance osseuse dans des conditions cliniques.
B- Principaux modèles animaux de résection osseuse
1) Les modèles de résection développés sur les os de la face
a) Les modèles de calvaria
b) Les modèles de résections mandibulaires
2) Les modèles de résections développés sur la diaphyse des os longs
a) Les modèles développés chez les rongeurs et les lagomorphes
♦ Les modèles développés chez le rat
♦ Les modèles développés chez le lapin
@ Ulna
@ Radius
@ Tibia
b) Les modèles développés chez les carnivores domestiques
♦ Les modèles développés chez le chien
@ Radius
@ Ulna
@ Fémur
@ Tibia
♦ Les modèles développés chez le chat
c) Les modèles développés chez les grands animaux de rente
♦ Modèles développés chez le porc
♦ Les modèles développés chez la brebis
@ Tibia
@ Fémur
@ Métatarsien
d) Les modèles développés chez les primates
C- Etude critique des modèles de résection osseuse : choix d’un modèle animal.
1) Choix de l’espèce animale
2) Choix de l’os
D- But de l’expérimentation
II – MATERIELS ET METHODES
A- ETUDES PRELIMINAIRES
1) Modèle de résection segmentaire osseuse de grande taille
a) Hypothèses de travail
♦ Choix de la longueur de résection osseuse
♦ Choix du mode d’ostéosynthèse
♦ Choix des délais d’implantation
b) Essais préliminaires
♦ Fixation du métatarsien par plaque vissée sans contention externe
♦ Fixation du métatarsien par plaque vissée associée à une résine
♦ Fixation du métatarsien par plaque vissée associée à une résine et à une barre de marche
2) Choix des examens complémentaires
B- MATERIELS ET METHODES
1) Mode opératoire
2) Soins et examens postopératoires
3) Sacrifices et prélèvements
4) Histologie et histomorphométrie.
a) Préparation des lames
b) Analyse qualitative de la restauration osseuse
c) Analyse quantitative de la restauration osseuse
5) Méthodologie statistique
a) Pièces anatomiques
b) Microradiographies
c) Coupes histologiques colorées
III – RESULTATS
A- Caractérisation des effectifs
B- Résultats qualitatifs
1) Suivi clinique
2) Suivi radiographique
a) Examen post-opératoire immédiat
b) Résultats à 4 semaines
c) Résultats à 8 semaines.
♦ Groupe 3
♦ Groupe 2
♦ Groupe 1
d) Résultats à 12 semaines
♦ Groupe 2
♦ Groupe 1
e) Résultats à 16 semaines.
♦ Groupe 3
@ Stabilité du montage
@ Ostéoformation
♦ Groupe 2
@ Stabilité du montage
@ ostéoformation
♦ Groupe 1
@ Stabilité du montage
@ Morphologie de l’os originel
@ Ostéoformation
3) Microradiographie qualitative
a) Groupe 3
b) Groupes 1 et 2
4) Histologie qualitative
a) Groupe 3
b) Groupe 2
c) Groupe 1
C- Résultats quantitatifs : Histomorphométrie
IV – DISCUSSION
A- Intérêts du modèle
1) Le modèle développé est de réalisation simple et reproductible
2) Le modèle présente une faible morbidité
3) Le modèle fait appel à des implants commercialisés en chirurgie vétérinaire
4) Le modèle développé reproduit des conditions proches de situations rencontrées en clinique humaine.
5) Le modèle est un modèle de non-consolidation lorsque la résection dépasse ou égale un rapport L/D = 1
6) Le modèle est compatible avec la substitution osseuse
B- Limites du modèle
1) La longueur de résection osseuse est limitée
2) L’appui est limité par la contention externe
3) La présence d’une résine limite la qualité du suivi radiographique
4) Le coût du protocole est élevé
C- Applications
CONCLUSIONS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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