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Les données biomécaniques sur les enfants sont rares et difficiles à obtenir lors d'expérimentations. Cette recherche s'intéresse à l'évaluation in vivo du comportement mécanique du tronc et des propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes. Le comportement mécanique in vivo du tronc de l'enfant et de l'adulte sous charge pendant des manipulations de kinésithérapie respiratoire ont été étudiées. Trois formes typiques de courbes de force en fonction du déplacement ont été observées. Un plus grand décalage en temps entre les courbes de force en fonction du temps et les courbes de déplacement en fonction du temps ont été observés plus fréquemment chez les enfants que chez les adultes, ce qui conduit à différentes formes de courbes de force en fonction du déplacement entre les enfants et les adultes. Parmi les paramètres qui peuvent affecter le comportement mécanique du tronc, les propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes ont été étudiées. Dans un premier temps, il a été constaté ex vivo que les propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes des adultes sont liées de façon linéaire à la Densité Minérale Osseuse (DMO) mesurée par la tomodensitométrie quantitative (Quantitative Computed Tomography, QCT) et la tomographie périphérique quantitative à haute résolution (High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography, HR-pQCT). La DMO peut être mesurée par QCT in vivo. Ensuite, les relations entre la DMO et les propriétés mécaniques pour l'adulte ont été appliquées aux enfants, et les propriétés mécaniques de l'os cortical de l'enfant ont pu être estimées. Les propriétés mécaniques ont été trouvées plus élevées dans la partie latérale des côtes que dans les régions antérieures et postérieures. Il a également été constaté que les propriétés mécaniques augmentent au cours de la croissance. Il s'agite la première étude qui a évalué les propriétés des matériaux de l'os cortical des côtes de l'enfant in vivo. Cette étude peut aider à mieux comprendre la réponse mécanique du tronc de l'enfant et les propriétés mécaniques de l'os cortical costal. À court terme, ces résultats mesurés in vivo seront considérés dans des modèles éléments finis du tronc de l'enfant / Biomechanical data on children, both mechanical behaviors and tissue properties, are rare and difficult to be obtained through biomechanical experiments. This thesis mainly discussed the mechanical behavior of pediatric trunk and mechanical properties of pediatric rib cortical bones in vivo. The mechanical responses of the living and active pediatric and adult trunks during in vivo loading tests were investigated. Three typical shapes of force-displacement curves were observed. Larger time lags between force time histories and displacement time histories were observed more frequently in children than adults, resulting in different shapes of force-displacement curves between children and adults. To better understand the mechanical behavior of pediatric trunk, rib cortical bone mechanical properties were studied. It was found that mechanical properties of adult rib cortical bones were linearly related to Bone Mineral Density (BMD) measured by Quantitative Computed Tomography (QCT) and High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography (HR-pQCT). The BMD could be measured by QCT in vivo. Then, the mechanical property-BMD relationships were introduced to child population, and the mechanical properties of pediatric rib cortical bones were estimated. The mechanical properties were found higher in the lateral part of the ribs than the anterior and posterior regions. It was also found that the mechanical properties were growing during the growth of children. This is the first study which estimated the material properties of pediatric rib cortical bones in vivo. This study can help to better understand the mechanical response of pediatric trunk and mechanical properties of pediatric rib cortical bones. These results measured in vivo could contribute to improve the biofidelity of pediatric modeling

L’ostéoporose ménopausique est généralement traitée par une stratégie médicamenteuse à visée anti-résorptive, couplée à des exercices de musculation/proprioception relativement efficaces pour maintenir la masse musculaire et prévenir le risque de chute. Ces dernières années, bien que de nombreuses études animales et cliniques aient suggéré un effet ostéogénique des vibrations corps entier (VCE), les résultats pas toujours concluants et les protocoles très hétérogènes rendent l’interprétation difficile. Dans ce travail, nous avons étudié l’importance de la fréquence de la vibration dans les effets osseux induits par les VCE, sur des rats adultes. Nous avons montré que la stimulation osseuse était dose dépendante de la fréquence, avec un effet ostéogénique d’autant plus important que la fréquence est élevée, et un effet délétère des basses fréquences. Le régime à haute fréquence (90Hz) améliore la micro-macroarchitecture de l’os cortical (épaississement cortical, diminution de la porosité) et de l’os trabéculaire (augmentation du volume osseux, nombre de travées), et stimule la formation osseuse (taux de formation osseuse augmenté), alors que le régime basse fréquence (8Hz) découple les activités de formation et minéralisation, responsable d’une diminution des DMO corticales et trabéculaires, caractéristiques d’une ostéomalacie. Dans cette étude, la réponse ostéogénique plus marquée aux vertèbres vs les os longs (Tibia et fémur) suggère un rôle de la moelle grasse dans la réponse osseuse aux VCE. L’étude clinique réalisée par la suite chez des femmes ménopausées, confirme la capacité des VCE à stimuler la formation osseuse corticale et trabéculaire (épaississement cortical, augmentation de l’aire corticale, maintien de la porosité, augmentation du volume osseux trabéculaire) avec un effet systémique des VCE (os porteurs et non porteurs). L’étude de la propagation du signal vibratoire chez l’animal et l’humain montre une amplification du signal dans les basses fréquences, caractéristique d’un effet de résonance, et une transmission plus importante des vibrations au-delà de 40Hz, expliquant en partie les effets des VCE en fonction de la fréquence. Nos résultats suggèrent l’utilisation des VCE comme moyen non pharmacologique de prévention voir traitement de la fragilité osseuse / The postmenopausal osteoporosis is generally handled by a medicinal strategy with anti-résorptive aim, coupled with relatively effective exercises of body-building / proprioception to maintain the muscular mass and prevent the risk of fall. These last years, although numerous animal and clinical studies suggested an osteogenic effect of the whole-body vibrations (WBV), the not always decisive results and the very heterogeneous protocols make difficult the interpretation. In this work, we studied the importance of the frequency of vibration in the bone effects induced by WBV on adult rats. We have shown that bone stimulation was dependent on the dose frequency, with a particularly important that the frequency is high osteogenic effect and a detrimental effect of low frequency. The high frequency system (90Hz) improves the control of the microarchitecture cortical bone (cortical thickening, reduced porosity) and trabecular bone (bone augmentation, number of spans), and stimulate bone formation (bone formation rate increased), while the low frequency regime (8Hz) decouples training and mineralization, causing a decrease in cortical and trabecular BMD, characteristic of osteomalacia. In this study, the more pronounced the vertebrae vs long bones (femur and tibia) osteogenic response suggests a role of the fat in the bone marrow response to WBV. The clinical study later postmenopausal women, confirms the ability of WBV to stimulate cortical and trabecular bone formation (cortical thickening, increased cortical area, maintaining porosity, trabecular bone volume increase) with a systemic effect of WBV (bearing and non-bearing bones). The study of the propagation of the vibration signal in animals and humans shows an amplification of the signal in the low frequency characteristic of a resonance effect, and a greater transmission of vibrations beyond 40Hz, explaining part of the effects according to the WBV frequency. Our results suggest the use of WBV as non-pharmacological means of prevention, or even treatment, of bone fragility

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La consommation d’alcool a des effets sur le tissu osseux. L’alcoolisme est une des causes d’ostéoporose secondaire chez l’homme. Dans ce travail nous avons mené différentes expérimentations chez le rat afin d’étudier les effets d’une consommation chronique d’alcool combinée ou non à un entraînement aérobie sur le tissu osseux. Nous avons montré qu’une faible dose d’alcool administrée pendant une période courte peut avoir un effet positif sur la densité minérale osseuse et l’épaisseur trabéculaire. En revanche, la combinaison activité physique et consommation modérée d’alcool n’a pas d’effet additif sur la potentialisation du tissu osseux. Nous avons également démontré un effet dose de l’alcool indiquant des effets délétères majorés sur la densité minérale osseuse (DMO), la microarchitecture corticale et la résistance osseuse avec des apports croissants (25%, 30% et 35% v/v). La modification de DMO s’accompagne d’un changement de composition corporelle et d’une diminution de la leptine systémique. Cependant, le nombre d’adipocytes augmente dans la moelle osseuse. Nous avons mis en évidence dans ce modèle d’ostéoporose secondaire due à l’alcool une augmentation de l’apoptose des ostéocytes, corrélée à la diminution de la DMO et à l’augmentation de l’adiposité médullaire. Nous avons de plus mis en évidence une incorporation de lipides dans les ostéocytes, incorporation fortement corrélée à l’apoptose de ces cellules. Enfin, nos résultats montrent qu’un exercice physique régulier combiné à une consommation chronique et excessive d’alcool permet de prévenir les effets délétères de l’alcool sur les paramètres osseux (porosité corticale, épaisseur corticale) et limite la diminution de la DMO. Cette diminution est associée à une régulation de l’apoptose des ostéocytes. / Heavy chronic alcohol consumption has deleterious effects on bone tissue. It is one of the major causes of secondary osteoporosis in men. In this work, we draw several experimentations to assess the effects of chronic alcohol consumption on bone, combined or not to an aerobic training in the rat. We showed that light to moderate chronic alcohol consumption during a short time lead to an increase of bone mineral density (BMD) and trabecular thickness, whith no additive effects of physical exercise on bone tissue. When the alcohol doses were increased, we showed deleterious effects on BMD, microarchitecture, bone resistance with a dose effect with increasing alcohol doses (25%, 30% and 35% v/v): the more alcohol was concentrated and the more the bone parameters were decreased. The BMD decrease was associated with a change in body composition, and with a decrease in serum leptin. However, the number of lipid droplets in the bone marrow was increased dramatically. We demonstrated that there was a huge increase in osteocyte apoptosis with alcohol (35% v/v) in this alcohol-induced osteoporosis model, which was correlated with BMD and bone marrow adiposity. We have also shown that there was lipid incorporation in bone micro vessels and in osteocytes, which was correlated with osteocyte apoptosis. Lastly, we showed that when regular exercise was associated with heavy chronic alcohol consumption, the bone parameters were normal (trabecular, cortical thickness, femur length) and the BMD was less decreased compared to alcohol-fed and sedentary rats. These effects were associated with a regulation of osteocyte apoptosis.

Si l’obésité a longtemps été considérée comme protectrice pour le squelette, sa prise en charge nutritionnelle s’accompagne d’une perte osseuse. Dans le but d’étudier les mécanismes liant le tissu adipeux et le tissu osseux, des rats ont été nourris avec un régime riche en graisse et en sucre afin d’induire une obésité et ses complications métaboliques. Puis, ces rats ont suivi un programme de prise en charge de l’obésité associant un rééquilibrage nutritionnel à de l’activité physique. Des investigations de la densité, de la micro architecture trabéculaire, de la qualité corticale, des propriétés biomécaniques et des paramètres cellulaires du tissu osseux ont été réalisées sur le squelette des rats. L’obésité induite a amélioré les paramètres densitométriques et corticaux des rats. La prise en charge de l’obésité a entraîné des effets contrastés. Le rééquilibrage de l’alimentation n’a pas altéré la densité ni les paramètres biomécaniques et corticaux du tissu osseux des rats en dépit d’altérations de la micro architecture et des perturbations l’activité cellulaire osseuse. L’exercice a augmenté la densité minérale osseuse du tibia des rats. Nos résultats montrent que l’inclusion de l’exercice dans un programme de prise en charge de l’obésité permet de potentialiser la perte de masse grasse et de maintenir l’intégrité du squelette. En étudiant l’impact d’un régime obésogène et de la prise en charge de l’obésité sur le tissu osseux chez le rat, ce travail de thèse apporte sa contribution dans la compréhension des mécanismes liant le tissu adipeux et le tissu osseux. / While obesity has long been considered protective of bone tissue, its nutritional management is linked to a concomitant bone loss. In order to access these mechanisms, male rats were given a high fat / high sucrose diet to induce obesity and its resulting metabolic disorders. Then, these rats participated in a well balanced nutritional program combined, or not, with physical activity in order to treat their obesity. Investigations on density, trabecular micro-architecture, cortical quality, biomechanical properties and cellular parameters of bone tissue were performed on rat’s skeleton. Obesity had improved the bone density and cortical parameters of rats. Obesity management had induced mixed effects. The well balanced diet did alter neither the bone density nor biomechanical and cortical parameters despite the presence of alterations in the trabecular micro architecture and some disturbances of bone cellular activity. Exercise by itself had increased the tibia bone mineral density. Our results show that including exercise in obesity management allows increasing the fat mass loss and maintaining the skeleton integrity. By studying the impact of an obesogenic diet and obesity treatment on bone tissue in rats, this study brings its contribution to the understanding of the mechanisms linking adipose tissue and bone tissue.

La consommation d'alcool a des effets sur le tissu osseux. L'alcoolisme est une des causes d'ostéoporose secondaire chez l'homme. Dans ce travail nous avons mené différentes expérimentations chez le rat afin d'étudier les effets d'une consommation chronique d'alcool combinée ou non à un entraînement aérobie sur le tissu osseux. Nous avons montré qu'une faible dose d'alcool administrée pendant une période courte peut avoir un effet positif sur la densité minérale osseuse et l'épaisseur trabéculaire. En revanche, la combinaison activité physique et consommation modérée d'alcool n'a pas d'effet additif sur la potentialisation du tissu osseux. Nous avons également démontré un effet dose de l'alcool indiquant des effets délétères majorés sur la densité minérale osseuse (DMO), la microarchitecture corticale et la résistance osseuse avec des apports croissants (25%, 30% et 35% v/v). La modification de DMO s'accompagne d'un changement de composition corporelle et d'une diminution de la leptine systémique. Cependant, le nombre d'adipocytes augmente dans la moelle osseuse. Nous avons mis en évidence dans ce modèle d'ostéoporose secondaire due à l'alcool une augmentation de l'apoptose des ostéocytes, corrélée à la diminution de la DMO et à l'augmentation de l'adiposité médullaire. Nous avons de plus mis en évidence une incorporation de lipides dans les ostéocytes, incorporation fortement corrélée à l'apoptose de ces cellules. Enfin, nos résultats montrent qu'un exercice physique régulier combiné à une consommation chronique et excessive d'alcool permet de prévenir les effets délétères de l'alcool sur les paramètres osseux (porosité corticale, épaisseur corticale) et limite la diminution de la DMO. Cette diminution est associée à une régulation de l'apoptose des ostéocytes.

Les données biomécaniques sur les enfants sont rares et difficiles à obtenir lors d'expérimentations. Cette recherche s'intéresse à l'évaluation in vivo du comportement mécanique du tronc et des propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes. Le comportement mécanique in vivo du tronc de l'enfant et de l'adulte sous charge pendant des manipulations de kinésithérapie respiratoire ont été étudiées. Trois formes typiques de courbes de force en fonction du déplacement ont été observées. Un plus grand décalage en temps entre les courbes de force en fonction du temps et les courbes de déplacement en fonction du temps ont été observés plus fréquemment chez les enfants que chez les adultes, ce qui conduit à différentes formes de courbes de force en fonction du déplacement entre les enfants et les adultes. Parmi les paramètres qui peuvent affecter le comportement mécanique du tronc, les propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes ont été étudiées. Dans un premier temps, il a été constaté ex vivo que les propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes des adultes sont liées de façon linéaire à la Densité Minérale Osseuse (DMO) mesurée par la tomodensitométrie quantitative (Quantitative Computed Tomography, QCT) et la tomographie périphérique quantitative à haute résolution (High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography, HR-pQCT). La DMO peut être mesurée par QCT in vivo. Ensuite, les relations entre la DMO et les propriétés mécaniques pour l'adulte ont été appliquées aux enfants, et les propriétés mécaniques de l'os cortical de l'enfant ont pu être estimées. Les propriétés mécaniques ont été trouvées plus élevées dans la partie latérale des côtes que dans les régions antérieures et postérieures. Il a également été constaté que les propriétés mécaniques augmentent au cours de la croissance. Il s'agite la première étude qui a évalué les propriétés des matériaux de l'os cortical des côtes de l'enfant in vivo. Cette étude peut aider à mieux comprendre la réponse mécanique du tronc de l'enfant et les propriétés mécaniques de l'os cortical costal. À court terme, ces résultats mesurés in vivo seront considérés dans des modèles éléments finis du tronc de l'enfant