La vascularisation joue un rôle important dans la biologie de l’os. Les souris génétiquement modifiées sont devenues le modèle de choix dans ce champ de recherche ; cependant les outils permettant son exploration structurelle (réseau capillaire) et fonctionnelle (perfusion) dans ce modèle animal, demeurent imparfaits. Notre travail a consisté en une adaptation chez la souris de la technique d’histomorphométrie quantitative vasculaire des os longs, fondée sur le remplissage du réseau par du sulfate de baryum, précédemment développée chez le rat. Nous avons, par ailleurs, mis au point une technique reproductible de mesure de la perfusion osseuse dans le tibia en utilisant le Laser Doppler. En termes d’exploration structurelle, et grâce à une imagerie par microtomographie 3D (Synchrotron ou Nano scanner) nous montrons la supériorité du sulfate de baryum sur le Microfil®, (produit associant silicone et plomb) et sa compatibilité avec les colorations histologiques usuelles et les marquages immuno histochimiques de la paroi vasculaire. Nous établissons la reproductibilité de la technique et nous proposons une nomenclature. En termes de perfusion, après avoir optimisé le protocole en limitant les facteurs de variabilité, nous montrons que le Laser Doppler permet de mesurer de façon reproductible une perfusion strictement osseuse dans le tibia de souris. Sous réserve de recourir { des groupes d’animaux de taille suffisante, (n=15), il devient possible de réaliser des comparaisons intergroupes. Ces deux approches combinées et intégrées, menées sur des souris C57BL/6 et 129sv/Cd1 nous ont permis de montrer (1) qu’il n’y a pas de corrélation entre paramètres de perfusion et de densité vasculaire, (2) que lors du vieillissement chez les mâles, la cinétique d’évolution de la vascularisation osseuse diffère selon le fond génétique, et que la perte osseuse n’est pas accompagnée d’une diminution de la perfusion dans ce modèle, (3) que l’ovariectomie (OVX) induit une diminution de la vascularisation et de la perfusion osseuses qui précède la perte osseuse. Enfin, notre étude des effets vasculaires osseux structurels et fonctionnels de la parathormone 1-84 a montré qu’ils dépendent, à l’instar de ses effets sur la masse osseuse, de son mode d’administration, intermittent ou continu et qu’ils ne sont pas impactés par l’OVX / Vascularisation plays a major role in bone biology. Genetically modified mice became the most favorite model in this research field; however, the tools allowing bone vessel analysis on both structural (capillary network) and functional aspects (perfusion) in this animal model remain unsatisfactory. Our work consisted in adapting in mice the quantitative histomorphometry technique allowing the analysis of long bone vascularization, based on the infusion of barium sulfate, which was previously developed in the rat. In addition, we set up a reproducible Laser Doppler-Based technique for measurement of mouse tibia perfusion. In terms of structural analyses, and thank to 3D micro-Tomography imaging (Synchrotron or Nano scanner), we show the superiority of barium sulfate on a lead/silicon-Based contrast product (Microfil®)and its compatibility with common staining used in histology and with immuno-Histochemsitry of the vessel wall. We establish the reproducibility of the technique and propose a nomenclature. In terms of perfusion, we show, after having optimized the protocol by limiting the factors of variability, that Laser Doppler allows to measure, in a reproducible way, perfusion signals specific to bone. As long as the animal group size is appropriate (n=15), it becomes possible to carry out intergroup comparisons. These combined and integrated approaches, carried out on C57BL/6 and 129sv/Cd1 mice allowed us to show that (1) there is no correlation between perfusion and vascular density parameters (2) during ageing in males, the kinetics of bone vascularisation evolution differ according to the genetic background and that bone loss was not associated with decrease in perfusion in this model (3) that ovariectomy (OVX) induces a decrease in both bone vessel density and perfusion which precedes bone loss. Finally, we studied the structural and functional vascular effects of 1-84 parathyroid hormone and show that, as for its effects on bone mass, they depend on its mode of administration, intermittent or continuous and that they are not affected by OVX

La caractérisation du micro-endommagement et la compréhension de son rôle dans le métabolisme ou dans la fragilisation osseuse restent des challenges, tout particulièrement en raison de l'absence de techniques de mesures bien adaptées à son étude. Il apparaît donc nécessaire de développer de nouvelles techniques non-invasives pour détecter et suivre l'accumulation de micro-endommagement osseux, en particulier celui qui se manifeste par la présence de microfissures. L'objectif de la thèse est d'évaluer la sensibilité de la spectroscopie ultrasonore non-linéaire (NRUS) à l'accumulation du micro-endommagement osseux. La sensibilité et la reproductibilité de la technique NRUS ont tout d'abord été optimisées. Puis, deux groupes d'échantillons d'os cortical ont été prélevés sur des diaphyses fémorales humaines. Les spécimens du premier groupe ont été endommagés progressivement par fatigue en flexion 4-points. Le second groupe a subi un test de ténacité pour initier et propager de manière contrôlée une fissure unique. Nos résultats montrent que la non-linéarité mesurée des échantillons fatigués et fissurés augmente de manière significative après les étapes de fatigue ou le test de ténacité. De plus, nous observons une corrélation significative entre la variation relative du paramètre non-linéaire et l'augmentation de la densité de petites fissures (évaluée par microtomographie par rayonnement synchrotron). Enfin, le niveau de non-linéarité des spécimens fissurés est significativement corrélé à la longueur totale de la fissure. Ces résultats suggèrent que la technique NRUS optimisée est sensible à l'accumulation du micro-endommagement osseux.

Depuis une dizaine d’années, l’essor des minivis d’ancrage orthodontique a été grandissant jusqu’à devenir, aujourd’hui, un outil incontournable dans l’arsenal thérapeutique de l’orthodontiste. Très peu d’études ont été publiées quant à la nature de la réponse tissulaire face à l’insertion et la mise en charge de ces minivis. De plus, une partie des patients concernés par l’orthodontie étant des adolescents, il serait intéressant de savoir si le tissu osseux en croissance est propice à l’utilisation de ces dispositifs. L’influence de la nature du matériau sur cette réaction tissulaire reste également à définir. L’objectif de cette étude a été d’évaluer la biointégration de deux systèmes de minivis orthodontiques présents sur le marché, l’un en acier chirurgical et l’autre en titane-aluminium-vanadium, en conduisant une analyse clinique, histomorphométrique et microtomographique chez le porc en croissance. Les résultats ont montré que la réponse osseuse se caractérise, dans un os en croissance peu compact, par un épaississement des travées osseuses au contact des dispositifs, probablement pour résister à la contrainte locale. Le tissu osseux en croissance permet la biointégration des minivis d’ancrage orthodontique, mais le taux de succès relativement faible observé implique l’adaptation des protocoles cliniques par une analyse préalable du ratio os trabéculaire/os cortical, une augmentation du délai avant mise en charge, et l’application de forces légères. La réponse tissulaire est similaire, quel que soit le système étudié. L’acier chirurgical, grandement utilisé en orthopédie, présente donc un intérêt en orthopédie dento-faciale, dans une indication temporaire / The miniscrew implants are increasingly used over the last decade in orthodontics and gradually replacing the use of extraoral forces because of their greater efficiency and because their effectiveness is not subject to patient compliance. Few studies seeking to understand the response to orthodontic anchorage devices at bone-tissue interface have been published over the last ten years. Despite the large use of miniscrews in teenagers, very few have included young subjects in their protocol. Furthermore, despite the use of stainless steel miniscrew implants, no studies have investigated biointegration of such devices. The aim of the present study was to evaluate tissue response to immediately loaded miniscrew implants (of Ti6Al4V and of stainless steel) in growing pigs in order to answer to the following questions: Is it possible to implant and load miniscrew implants in a growing bone? Does stainless steel devices present the same biointegration than titanium devices? A clinical evaluation, and histomorphometrical and micro-CT analyses were performed. Results showed that the growing bone seems compatible with the orthodontic anchorage. In the growing pig with low bone density areas, the trabecular thickness increase appears as the bone response to withstand the local strains induced by loaded orthodontic miniscrews. Stainless steel devices presented similar behavior to the Ti6Al4V devices in pigs. This study showed the possibility to place stainless steel miniscrew implants for orthodontic anchorage in growing models

Dans des études animales, nous avons étudié le développement des métastases osseuses, leur vascularisation ainsi que des biomatériaux de comblement ou pouvant cibler l'angiogenèse. Nous avons utilisé le poly 2-hydroxyéthyl méthacrylate (pHEMA) connu pour sa biocompatibilité, pour fabriquer des microbilles fluorescentes portant à leur surface des charges anioniques ou cationiques. Les microbilles ont été incubées avec une lignée de cellules endothéliales qui internalisent de préférence les microbilles portant une charge anionique. Un silicone radio-opaque a été utilisé pour caractériser l'architecture en 3D des vaisseaux sanguins à différents stades d'évolution des métastases osseuses chez le rat. Nous avons montré au niveau des os tumoraux une hypervascularisation et une désorganisation importante de l'architecture vasculaire avec un réseau très dense de micro vaisseaux à l'aspect tortueux s'étendant dans toute la zone trabéculaire, envahissant la corticale et la diaphyse en sens rétrograde. Dans une autre étude, l'acide zolédronique, un puissant bisphosphonate ayant aussi un effet anti-angiogénique, a été utilisé de façon préventive dans un modèle de métastase osseuse chez le rat. Il permet la conversion des métastases du carcinome MatLyLu, initialement ostéolytiques, en formes ostéocondensantes en limitant les perforations corticales. Enfin, chez le lapin, dans un modèle de comblement osseux par le bêta tricalcium phosphate (β−TCP), nous avons montré que des anti-inflammatoires non stéroïdiens, utilisés en chirurgie osseuse, ne retardent pas l'ostéogenèse au contact du biomatériau. La vascularisation joue un rôle important dans le remodelage osseux normal mais aussi dans les ostéopathies bénignes et malignes ainsi que dans l'ostéointégration des biomatériaux utilisés pour le traitement des pertes de substance osseuse.

Les étiologies des ostéoporoses secondaires sont multiples et souvent intriquées, nous avons étudié chez l'homme et chez l'animal certaines d'entre elles : les ostéoporoses iatrogènes induites par les glucocorticoïdes (GCs) et les inhibiteurs de l'aromatase, l'ostéoporose d'immobilisation et l'ostéoporose associée aux mastocytoses systémiques. Nous avons développé un modèle murin d'ostéoporose cortisonique pour étudier le retentissement des GCs sur les os longs et la mandibule. Nous avons confirmé que les GCs entraînent une réduction du volume osseux trabéculaire des tibias et montré pour la première fois chez la souris qu'ils diminuent le volume d'os alvéolaire. Nous avons ensuite étudié l'apoptose des ostéoblastes et des ostéocytes sous GCs en cytodynamique, la Dexaméthasone à 10-6 M n'augmente pas l'apoptose mais induit des modifications morphologiques des cellules. Dans un autre modèle animal nous avons étudié par microtomographie-X les effets d'une immobilisation prolongée sur le muscle et le tissu osseux des tibias chez le rat en croissance. Nous avons montré que cette immobilisation entraîne une perte musculaire et osseuse trabéculaire et corticale très rapide, une réduction de la croissance en épaisseur mais sans retentissement sur la croissance en longueur des tibias ni modification de leur forme. Chez l'homme, nous avons décrit le retentissement osseux des mastocytoses systémiques par analyse des paramètres microarchitecturaux après biopsie osseuse transiliaque chez 60 patients. Enfin, nous avons étudié prospectivement sur 3 ans le retentissement osseux des inhibiteurs de l'aromatase dans une cohorte de 497 femmes. A l'instauration du traitement 20% des femmes ont déjà au moins une fracture vertébrale ostéoporotique. Après 3 ans de traitement les patientes indemnes d'ostéoporose initialement ont un risque de perte osseuse et de fracture faible. L'administration de bisphosphonates stoppe la perte osseuse mais ne prévient pas complètement la survenue de nouvelle fracture vertébrale.

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Un os long est composé de tissus osseux cortical et spongieux. Ces tissus ont des structures et des caractéristiques physiques différentes mais ont tous deux la capacité de se régénérer de façon naturelle suite à une lésion. Cette régénération ou réparation implique une séquence bien caractérisée d’événements contrôlés par l’interaction étroite entre des facteurs de croissance, des cellules, l’environnement chimique et dynamique, ainsi que par la matrice extracellulaire. L’ostéopontine (OPN) et la sialoprotéine osseuse (BSP) sont des protéines de la matrice extracellulaire exerçant des fonctions importantes dans le tissu osseux. Le but de ce travail a été d’étudier le rôle de l’OPN et de la BSP dans la réparation osseuse par génétique expérimentale. Les modèles utilisés dans cette études consistent en des lésions, l’un diaphysaire et purement cortical, l’autre région épi-métaphysaire mêlant destruction de l’os cortical, trabéculaire et de la plaque de croissance. La réparation de ces lésions a été analysée par microtomographie haute résolution aux rayons X et par histomorphométrie. Dans un premier temps, la réparation d’une perforation épi-métaphysaire dans le fémur chez la souris, a été caractérisée et comparée à celle de même diamètre réalisée dans la diaphyse. Dans cette étude comparative, des profils distincts de réparation ont été mis en évidence bien que tous deux mettent en place un mécanisme d’ossification intramembranaire. Ainsi, le défect cortical diaphysaire est comblé par une formation osseuse centripète restreinte à la zone corticale. Dans le modèle épi-métaphysaire, la formation osseuse est initiée au fond du défect et se propager vers le cortex. Ce processus aboutit à une restauration des travées mais à une réparation incompléte du cortex. Ainsi, le premier modèle apparaît comme pertinent pour l’étude de la réparation corticale alors que le modèle épi-métaphysaire se présente plus adapté à l’étude de la réparation de l’os trabéculaire. L’OPN et la BSP n’ont pas de fonctions redondantes dans la réparation de ces lésions. En effet, l’OPN intervient principalement dans la réparation de l’os trabéculaire, son absence entraîne un retard lié à un défaut de progression de l’os au sein de la cavité. L’absence de BSP quant à elle, semble intervenir uniquement dans le processus de réparation de l’os cortical diaphysaire, provoquant un retard de réparation dû à un défaut de minéralisation de l’ostéoïde. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont permis de caractériser des modèles de lésions osseuses pertinents pour l’étude de la réparation de l’os cortical et spongieux. L’utilisation de ces modèles a permis d’améliorer la compréhension du rôle de deux protéines de la matrice extracellulaire osseuse dans la réparation de cortical et trabéculaire grâce aux modèles de génétique expérimentale. / Long bones consist of cortical and spongious bone tissue, which have different structures and physiological characteristics. Both can heal spontaneously. Bone healing is a complex multi-step process which depends on cells, soluble factors, mechanical environment and bone matrix. Osteopontin (OPN) and Bone Sialoportein (BSP) are extracellular matrix proteins, which have been shown to exert important functions in bone. The aim of this study is to address the role of OPN and BSP in bone repair using experimental genetic strategies. Injured bone models are drilled-hole defects performed in diaphyseal cortical bone or in the epi-metaphyseal region. Bone healing was analyzed by micro-tomography and histomorphometry. Epi-metaphyseal defect healing was characterized and compared to cortical bone repair. In this comparative study, distinct patterns of bone repair have been shown while in both models repair occurs through intramembranous ossification. Diaphyseal defect was rapidly filled with newly bone formed in a centripetal manner within the cortical gap. In contrast, bone formation within the epi-metaphyseal defect was initiated from the depth of the cavity and spread towards the cortical edges, regenerating cancellous bone and albeit not completely cortical wall. Therefore, diaphyseal drill defects appear pertinent for the study of spontaneous cortical healing whereas epi-metaphyseal drill defects appear as appropriate models to investigate spongy bone regeneration. OPN and BSP do not show redundancy in the bone repair process of these two models. Indeed, OPN is mainly involved in trabecular bone repair; its deficiency induced a delay due to impaired bone progression within the epi-metaphyseal cavity. The lack of BSP only delayed cortical bone repair due to an impaired mineralization of the bone matrix. This study permits to characterize pertinent models of cortical and trabecular bone repair. Application of these models added new insights on the involvement of matrix proteins in cortical defect healing and trabecular bone repair using experimental genetic models.

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.

Plusieurs modèles animaux de perte osseuse ont été développés : le modèle du rat orchidectomisé (ORX) et paralysé par la toxine botulique (BTX), le modèle du rat injecté avec des cellules Walker induisant des métastases ostéolytiques, le modèle du rat injecté avec des cellules MAT-Ly-Lu induisant des métastases ostéocondensantes. Nous avons montré que la combinaison ORX-BTX avait des effets cumulatifs ; elle induit des changements microarchitecturaux et une perte osseuse massive et rapide due à une hausse rapide et transitoire du remodelage osseux. Le modèle ORX-BTX a été utilisé pour l'implantation d'un biomatériau injectable qui a été transitoirement remplacé par de l'os non mature résorbé ensuite sans être substitué par de l'os lamellaire mature. Des mesures densitométrique, histomorphométrique et microtomographique chez le rat ORX-BTX ont montré que le risédronate a un effet protecteur contre la perte osseuse trabéculaire et la modification de la microarchitecture et un effet plus modéré sur la perte osseuse corticale. La testostérone ne prévient pas la perte osseuse mais préserve la masse maigre corporelle. L'analyse de texture et la microtomographie ont permis de détecter et de différencier les altérations osseuses induites par métastases ostéolytiques ou ostéocondensantes. Nous avons également montré par études histologique et immunohistochimique que les interactions cellules cancéreuses-cellules stromales provoquent une production stromale de cytokines aboutissant à l'ostéoclastogénèse uniquement dans le microenvironnement osseux. Le microenvironnement osseux peut donc avoir un rôle important dans l'établissement et la prolifération métastatique.

Le maintien des tissus péri-implantaires sains à un niveau le plus coronaire possible conditionne le succès à long terme des réhabilitations implanto-portées. Dès lors, la mise en place d'une barrière muqueuse protectrice et la préservation de l'os marginal au cours des premières semaines de cicatrisation est indispensable. Le design implantaire influence les remodelages tissulaires intervenant au niveau du col de l'implant lors des phases initiales de cicatrisation. L'objet de ce travail est d'analyser histologiquement chez le Beagle l'influence de deux systèmes implantaires innovants sur les caractéristiques de la muqueuse et la position de l'os marginal après 3 et 12 semaines de cicatrisation. Les résultats de cette étude, mis en relation avec les données de la littérature indiquent que les implants « deux-parts » présentant une connectique cône morse pourraient favoriser la mise en place d'un espace biologique court et limiter la perte osseuse marginale péri-implantaire. Les implants « une part » à col transmuqueux concave seraient quant à eux associés à des valeurs réduites d'espace biologique et autoriseraient une apposition osseuse sur l'épaule de l'implant. Dans la première partie de ce mémoire, nous établissons une synthèse des données histologiques actuelles concernant les caractéristiques et les processus de cicatrisation des tissus péri-implantaires, et l'influence de la conception implantaire sur les remodelages tissulaires marginaux intervenant au cours de la cicatrisation. Nous avons rédigé deux publications internationales que nous présentons en deuxième partie. Une réflexion analytique autour de ce travail est présentée dans la troisième partie / Aesthetic and functional long-term success of implant-supported rehabilitations relies on the preservation of peri-implant tissue levels in the most coronal position. Therefore, the achievement of an efficient protective mucosal seal, and the preservation of the peri-implant marginal bone during the first weeks of healing are essential to prevent long term implant failures. The characteristics of an implant transmucosal design (connections, platforms, surface properties) are related to biological width dimensions, marginal peri-implant bone levels, and the amount of inflammation within the peri-implant soft tissues. The aim of the research work presented in this manuscript was to investigate the effect of two innovative implant systems on peri-implant mucosa maturation, dimensions, collagen fiber organization, and marginal bone levels after 3 and 12 weeks of healing in the beagle dog. The results, compared with previous data, show that platform-switched twopiece implants exhibit reduced values of biological width and marginal bone loss, and that a concave transmucosal design in one-piece implants is associated with a short vertical value of biological width, and promote a mechanical interlocking of the implant body at the connective tissue and marginal bone levels. In the first part of this report, an overview of the current knowledge concerning the characteristics and healing patterns of peri-implant tissues, and the influence of implant design on the early peri-implant tissue remodeling is established. We have written two international publications which are presented in the second part. An analytical reflection about this work is presented in the third part