Introduction: L’ostéogenèse imparfaite (OI) est un désordre de collagène héréditaire caractérisé par du tissu conjonctif défectueux avec une incidence de 1 sur 20 000 naissances. Il y a une surreprésentation marquée des malocclusions de Classe III, une occlusion croisée antérieure et postérieure dans la population d’OI. L’objectif principal de cette recherche est d’évaluer si la sévérité des malocclusions présente chez les patients atteints d’OI est proportionnelle à la gravité du syndrome. L’objectif secondaire de cette recherche est d’évaluer si la sévérité de la malocclusion augmente avec l’âge. Matériels et méthodes: Étude rétrospective d’observation effectuée par calcul du Discrepancy Index (DI) de 56 modèles dentaires de patients atteints d’OI. Les résultats du DI ont été comparés à trois variables qui caractérisent la gravité du syndrome: type de OI, type génétique et le Z-score de la grandeur de chaque patient. En outre, l’analyse longitudinale d’un sous-ensemble de 20 modèles a été faite pour déterminer si la sévérité de la malocclusion augmente avec le temps. Résultats: La médiane du DI était de 33,5 [1, 109]. Le DI est plus augmenté chez les patients atteints d’un type de OI plus sévère (p = 0,001) ainsi chez les patients avec un Z-score de grandeur plus bas (p <0,0001). L'analyse longitudinale a démontré une augmentation statistiquement significative de DI au fil du temps. (p=0.05) Conclusion: La malocclusion des patients atteints d’OI semble liée à la gravité de ce syndrome. En outre, la sévérité de la malocclusion semble augmenter avec l'âge. / Introduction: Osteogenesis imperfecta (OI) is an inherited collagen disorder characterized by defective connective tissue with an incidence of 1 in 20,000 births. There is a marked over-representation of Class III malocclusion, negative overjet and lateral openbite in the OI population. Objectives: Primary objective is to evaluate whether the severity of the malocclusions present in OI patients is proportional to the severity of the syndrome. Secondary objective is to evaluate whether the malocclusion severity increases with age. Methods: Retrospective observational study performed by calculating the Discrepancy Index (DI) of 56 dental casts of patients with mild to severe OI. DI scores were compared to three variables that characterize the severity of the syndrome: OI type, genetic type and height z-score of each patient. In addition, longitudinal analysis of a subset of 20 OI casts was done to determine whether the malocclusion increases in severity with time. Results: The median DI score was 33.5 [1, 109]. The DI score increased with increasing severity of OI type (p=0.001) and decreasing height z-score (p<0.0001). In addition, longitudinal analysis of 20 OI patients demonstrated a statistically significant increase in DI over time (p=0.05). Conclusion: The malocclusion characteristic of OI patients seems linked to the severity of the syndrome. In addition, the malocclusion severity seems to increase with age.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le muscle et l’os coopèrent mécaniquement mais aussi biochimiquement, via les facteurs de croissance et les cytokines. Suite à une lésion de l’os, les cellules souches sont recrutées et induites en différenciation osseuse grâce à la sécrétion de molécules bioactives telles que les facteurs de croissance. L’une des stratégies de l’ingénierie tissulaire de l’os est de combiner des matériaux avec des facteurs de croissance osseux. Les protéines morphogéniques osseuses (ou BMPs), pouvant être présentées aux cellules en solution ou enchâssées dans la matrice, appartiennent à la famille des facteurs de croissance basiques et jouent un rôle très important dans la formation de l’os. Les BMPs induisent non seulement une différenciation osseuse de progéniteurs osseux, mais induisent aussi la transdifférenciation de progéniteurs musculaires vers un phénotype ostéoblastique. L’obtention de la complexité de l’architecture tissulaire osseuse nécessite des interactions continues entre la cellule et son microenvironnement. Ces interactions sont médiées par les récepteurs cellule/matrice (intégrine) et cellule/cellule (cadhérines). Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au rôle du système adhésif dans la réponse à la BMP-2 lors de la transdifférenciation des myoblastes C2C12. Nous avons utilisé un film multicouche à base de hyaluronane et de poly(L-lysine) comme biomatériau pour présenter la BMP-2 par la matrice. A court terme, nous avons mis en évidence une coopération entre l’intégrine 3 et les récepteurs BMP dans l’induction d’un étalement cellulaire et d’une réponse précoce à la BMP-2, via la protéine GSK3. A plus long terme, nous avons montré un switch du répertoire adhésif en réponse à la BMP-2. Enfin, nos résultats suggèrent une coopération entre les intégrines β3 et β5 et les cadhérines N et 11 dans la transdifférenciation induite par la BMP-2. / Muscle and bone cooperate both mechanically and biochemically, through growth factors and cytokines. Following a bone lesion, stem cells are recruited and their differentiation is induced via the secretion of bioactive molecules such as growth factors. One strategy in bone tissue engineering is to combine materials with bone growth factors. Bone Morphogenetic Proteins (BMPs), which can be presented to the cell either in solution or bound to the matrix, belong to the basic growth factor family and play a very important role in bone formation. BMPs induce not only the differentiation of bone progenitors, but also the transdifferentiation of muscle progenitors towards an osteoblastic phenotype. Obtaining the complexity of the bone tissue architecture requires continuous interactions between the cell and its microenvironment. These interactions are mediated by cell/matrix and cell/cell receptors (integrins and cadherins, respectively). In this thesis, we investigated the role of the adhesion system in the context of its response to BMP-2 during the transdifferentiation of C2C12 murine myoblasts. To do so, we used polelectrolyte multilayer films composed of hyaluronan and poly(L-lysine) as a biomaterial to present BMP-2 in a matrix-bound manner. Short term, we revealed a cooperation between the integrin 3 and BMP receptors in the induction of cell spreading and of an early response to BMP-2 via the protein GSK3. In a longer term, we showed a switch in the repertoire of adhesion receptors in response to BMP-2. Finally, our results suggest a cooperation between 3 and 5 integrins and cadherins N and 11 for the BMP-2-induced transdifferentiation.

L’ostéogénèse imparfaite(OI) est une maladie génétique rare qui se caractérise, entre autres, par une fragilité accrue des os. Des analyses du génome des patients atteints ont permis d’identifier les mutations qui déclenchaient ce principal symptôme. Pour le tissu osseux, la difficulté dans la compréhension de cette pathologie réside dans la structure multi-échelle du tissu osseux et dans son caractère de tissu vivant renouvelé par le remodelage osseux.Dans cette thèse, nous avons donc dans un premier temps étudié l’impact des différentes mutations sur la structure nanoscopique du tissu osseux de patients OI. Pour ce faire, une technique d’exploration des propriétés physico-chimiques a été développée. Plus particulièrement, nous avons pu mesurer l’apport de la spectroscopie Raman à l’étude du tissu osseux. Cela a permis d’identifier différentes conséquences sur le tissu osseux créées par des mutations touchant des protéines impliquées dans le métabolisme osseux. Ainsi, du point de vue de la spectroscopie Raman, trois groupes de mutations sont dissociables :• les mutations touchant directement le collagène et ses modifications (OI type génétique III, VII et VIII),• les mutations causant l’OI de type VI qui se caractérise par une hyper minéralisation due à une sous production de collagène,• les mutations causant l’OI de type XI qui se caractérise par un taux de substitution en carbonate plus important que la moyenne traduisant un taux de remodelage plus faible.Dans un second temps, l’aspect vivant du tissu osseux a été étudié avec l’étude de la phase de résorption du remodelage osseux. Il a ainsi été montré que les cellules osseuses qui résorbaient la matrice osseuse n’agissaient pas de manière aléatoire, mais qu’elles ciblaient les zones aux propriétés mécaniques et minérales les plus faibles. Ce comportement étudié d’abord sur du tissu osseux adulte sain a été aussi observé sur les os des patients souffrant d’OI. La pathologie n’a pas modifié qualitativement ce comportement. / Osteogenesis imperfecta (OI) is a rare genetic disease, whose main feature is more brittle bone. Genetic analysis identified mutations making the bone more prone to fracture. As the bone is a multistructrural material, while also being a living tissue, the symptoms and consequences of the disease are numerous. During this thesis, the focus was made on a first approach on the differences of nanostructures between the various mutations causing OI. More specifically, a new use of Raman spectroscopy was made in order to study the collagenic matrix as well as the mineral component. It was found that mutations could be gathered in three groups:• Mutations implied directly in the collagen synthesis and in its early modification (OI genetical type III, VII et VIII),• Mutations implied directly in the mineralization of the collagenic matrix, with an hypermineralization of this matrix (OI genetical type VII),• Mutations causing OI genetical type XI, characterized by a high rate of carbonate substitution, implying a low remodeling rate.On the other hand, the living aspect of bone tissue was studied, with a focus made on the resorption phase of the remodeling cycle. It was found on healthy adults bone that the cells were not behaving randomly, but target osteons with lower mechanical and mineral properties. Moreover, the behavior of those cells is not altered by OI: it was found that the cells had the same not-random behavior on bone of OI patients.

Récemment, dans le domaine de la reconstruction tissulaire, des substituts osseux ou scaffold, ont été utilisés comme alternative aux autogreffes. La complexité de l'ostéogenèse au sein d'une structure poreuse rend son observation expérimentale difficile et par conséquent le développement et l'optimisation des scaffolds sont loin d'être achevés. En complément d'expérimentations animales, il est donc nécessaire de développer des modèles numériques afin de mieux comprendre ce processus. L'objectif de ce travail était de développer un modèle numérique capable de reproduire l'ostéogenèse au sein d'un scaffold poreux en titane, implanté sur la partie non dentée d'une hémimandibule de brebis durant 12 semaines. Cette thèse était donc basée sur une approche à la fois expérimentale et numérique, ce qui constituait l'élément clé du projet. En effet, la plupart des modèles existants n'ont pas été validés expérimentalement ou l'ont été à l'aide d'expérimentations réalisées sur de petits animaux (i.e. lapin, rat) puisque leur taille et leur coût facilitaient le protocole. Néanmoins, contrairement au mouton, leurs processus de régénération osseuse sont très éloignés de celui de l'homme. L'étude a été organisée en trois tâches. Tout d'abord, les expérimentations animales ont été réalisées en collaboration avec le Dr Thomas Schouman (Hôpital de la Pitié-Salpêtrière), et OBL, une PME française fabriquant les scaffolds en titane. Puis, un modèle numérique en éléments finis décrivant l'activité cellulaire au sein du scaffold durant les 12 semaines d'implantation a été conçu. Enfin, des examens histologiques et micro-tomographiques et des tests mécaniques réalisés sur chaque hémimandibule explantée ont permis de: i) quantifier le pouvoir ostéo-conducteur du scaffold en titane et ii) valider le modèle numérique d'ostéogénèse. / Recently, in the tissue reconstruction field, bone substitutes or scaffolds have been used as an alternative to autograft. The complexity of osteogenesis within a scaffold makes its experimental observation difficult and the development and optimization of scaffolds are thus far from being complete. In addition to animal experiments, it is then necessary to develop numerical models to better understand such process. The objective of this work was to develop a numerical model able to reproduce osteogenesis within a porous titanium scaffold implanted on the non-toothed part of a ewe hemimandible for 12 weeks. Therefore, this thesis was based on both an experimental and a numerical approach, which constituted the key element of the project. Indeed, most of the existing models have not been validated or have been validated using experiments performed on small animals (i.e. rabbit, rat) since their size and cost make the protocol easier. Nevertheless, unlike the sheep, their bone regeneration process is quite different from human's. The study was organized into three tasks. First, animal experiments were carried out in collaboration with Dr. Thomas Schouman (Pitié-Salpêtrière hospital) and OBL, a french company manufacturing the porous titanium scaffolds. Then, a numerical model describing cellular activity within the scaffold during the 12 weeks of implantation was developed. Finally, histological and micro-tomographic analyses and mechanical tests performed on each hemimandible have enabled to: i) quantify the osteoconductive potential of the scaffold and ii) validate the numerical results.

Thesis written in co-mentorship with director: Nelly Huynh; co-directors: Frank Rauch and Jean-Marc Retrouvey; collaborators: Clarice Nishio, Duy-Dat Vu and Nathalie Alos / Introduction - L'ostéogenèse imparfaite (OI) est une maladie osseuse héréditaire qui affecte la production du collagène de type I et le remodelage osseux. Les biphosphonates sont administrés aux enfants atteints d'OI dans le but d’augmenter la masse osseuse et de réduire les fractures osseuses. Les patients atteints d’OI ont des malocclusions sévères qui affectent leur qualité de vie. Plusieurs processus biologiques de remodelage osseux qui sont nécessaires pour un mouvement dentaire orthodontique sont affectés chez les gens atteints d’OI. L'objectif de cette étude est d'évaluer le mouvement dentaire orthodontique dans un modèle de souris avec OI et traitées aux biphosphonates. Matériels et méthodes - Vingt-quatre souris femelles âgées de 10 semaines ont été divisés en 4 groupes : 1 - OI traitées par zolédronate (n=6); 2 - OI non traitées (n=6); 3 - Type sauvage traitées par zolédronate (n=6); 4 – Type sauvage non traitées (n=6) Un ressort de nickel-titane activé à 10 g de force a été cimenté entre les incisives et la 1ère molaire maxillaire droite. Le côté contralatéral a été utilisé comme témoin. Une dose de 0,05 mg de zolédronate a été administrée par voie sous-cutanée un jour avant la chirurgie. Sept jours après l'intervention, les souris ont été euthanasiées et la distance entre la 1ère et la 2e molaire a été mesurée par analyse microtomographique. Résultats - Le mouvement dentaire orthodontique était significativement plus important chez les souris OI que celles de types sauvages dans les groupes non traités (p < 0,05). Le traitement par zolédronate n'a eu aucun effet significatif sur le mouvement dentaire orthodontique au sein des groupes OI et type sauvages. Conclusions - Ces résultats suggèrent une augmentation du mouvement dentaire orthodontique chez les souris avec l’ostéogenèse imparfaite. / INTRODUCTION - Osteogenesis imperfecta (OI) is a heritable bone disorder that affects collagen type I production and bone remodeling. Orthodontic tooth movement (OTM) involves the underlying process of alveolar bone remodeling. The objective of this study is to evaluate OTM in a mouse model of OI. METHODS - Twenty four, 10 week-old female mice were divided into 4 groups: 1- OI treated with zoledronate, 2- OI untreated, 3- Wild-type (WT) treated with zoledronate and 4- WT untreated. A nickel-titanium closed coil spring (10 g) was attached between the incisors and the right maxillary 1st molar. The contralateral side was used as control. Zoledronate (0.05mg/kg) was administered sub-cutaneously 1 day prior to surgery. Seven days after the procedure, the distance between 1st – 2nd molars was measured by micro-CT. RESULTS - OI mice presented significantly more OTM than WT mice when comparing within untreated groups (p<0.05). Zoledronate treatment had no significant effect on OTM within OI and WT groups. CONCLUSIONS - These results suggest increased OTM in mice with OI. The dose of zoledronate administrated 1 day prior to surgery had no significant effect on OTM.

La culture cellulaire traditionnelle en deux dimensions (2D) ne peut pas reproduire les propriétés des tissus observées dans des organes en trois dimensions (3D). Ces tissus, en particulier les tissus de soutien comme l'os, sont soumis à des contraintes mécaniques, facteurs majeurs de régulation des interactions cellulaires et cellules/matrices. Il y a donc un intérêt croissant pour les modèles 3D, afin de mieux comprendre les différents aspects du fonctionnement cellulaire et du remodelage osseux, dans des systèmes de moindre complexité que les modèles in vivo. Nous nous sommes intéressés ici aux cellules ostéoblastiques et à une de leur protéine matricielle, la sialoprotéine osseuse (BSP). La BSP appartient à la famille des "small integrin-binding ligand N-linked glycoproteins" (SIBLING), impliquées dans le développement, le remodelage et la minéralisation de l'os, et répondant rapidement à la contrainte mécanique. Notre objectif était d'analyser l'impact de cette protéine sur la différenciation ostéoblastique et l'ostéogénèse in vitro à partir de cellules de calvaria de souris présentant une extinction génique de la BSP (BSP-/-) cultivées en 2D et en 3D. Nous avons montré que les cellules BSP-/- présentaient un défaut de formation osseuse et de minéralisation qui est dépendant de la densité cellulaire. Puis nous avons développé et validé un bioréacteur perfusé et stimulable mécaniquement via le système ZetOsTM. Les premiers résultats obtenus avec cet outil contrôlé montrent que l'environnement 3D améliore la différenciation des cellules BSP-/-. Ces travaux restent à développer, notamment pour analyser l'effet des contraintes mécaniques sur ces cellules

La culture cellulaire traditionnelle en deux dimensions (2D) ne peut pas reproduire les propriétés des tissus observées dans des organes en trois dimensions (3D). Ces tissus, en particulier les tissus de soutien comme l'os, sont soumis à des contraintes mécaniques, facteurs majeurs de régulation des interactions cellulaires et cellules/matrices. Il y a donc un intérêt croissant pour les modèles 3D, afin de mieux comprendre les différents aspects du fonctionnement cellulaire et du remodelage osseux, dans des systèmes de moindre complexité que les modèles in vivo. Nous nous sommes intéressés ici aux cellules ostéoblastiques et à une de leur protéine matricielle, la sialoprotéine osseuse (BSP). La BSP appartient à la famille des "small integrin-binding ligand N-linked glycoproteins" (SIBLING), impliquées dans le développement, le remodelage et la minéralisation de l’os, et répondant rapidement à la contrainte mécanique. Notre objectif était d’analyser l’impact de cette protéine sur la différenciation ostéoblastique et l’ostéogénèse in vitro à partir de cellules de calvaria de souris présentant une extinction génique de la BSP (BSP-/-) cultivées en 2D et en 3D. Nous avons montré que les cellules BSP-/- présentaient un défaut de formation osseuse et de minéralisation qui est dépendant de la densité cellulaire. Puis nous avons développé et validé un bioréacteur perfusé et stimulable mécaniquement via le système ZetOsTM. Les premiers résultats obtenus avec cet outil contrôlé montrent que l’environnement 3D améliore la différenciation des cellules BSP-/-. Ces travaux restent à développer, notamment pour analyser l’effet des contraintes mécaniques sur ces cellules / Traditional (2D) cell culture cannot reproduce the tissue properties observed in 3 dimensional organs (3D). Weight-bearing organs such as bone are subjected to mechanical stresses, which are major regulating factors for cell and cell/matrix interactions. There is thus a growing interest in 3D culture models, in order to better understand the different aspects of cell function and bone remodeling in systems less complex than in vivo models. We are interested here in the osteoblastic cells and in one of their matrix proteins, the bone sialoprotein (BSP). BSP belongs to the family of the "small integrin -binding ligand N -linked glycoproteins" (SIBLING), involved in the development, remodeling and mineralization of bone, and responding quickly to mechanical stress. Our goal in this work was to analyze the impact of the absence of this protein on osteoblast differentiation and bone formation in vitro from mouse calvarial cells (MCC) with a gene knockout of BSP (BSP-/-), grown in 2D and 3D. We have shown that BSP-/- cells have a defect in bone formation and mineralization which is cell density dependent. We have developed and validated a perfused bioreactor able to apply mechanical stress to culture scaffolds via the ZetOsTM system. Our first results with this powerful tool show that a 3D environment improves BSP-/- cells differentiation. This work remains to be developed, in particular to analyze the effects of mechanical stress on these cells

Actuellement, il est largement reconnu que la décision des cellules souches de maintenir leur caractère souche ou se différencier vers une lignée spécialisée dépend particulièrement de la nature de leur microenvironnement, appelé niche cellulaire. Une des composantes essentielles de cette niche cellulaire est la matrice extracellulaire (MEC), qui au-delà de sa fonction de support cellulaire, détermine le devenir des cellules souches en fonction de sa composition biochimique, sa structure et sa localisation. D’un point de vue rationnel, un biomatériau destiné à remplacer la fonction d’un tissu endommagé doit non seulement jouer le rôle d’échafaudage cellulaire mais également mimer les propriétés de la MEC dans son ensemble. Malheureusement, il est extrêmement difficile de concevoir des biomatériaux mimétiques de la MEC naturelle tenant compte de sa complexité structurelle et fonctionnelle. Pour pallier à cette problématique, il semble nécessaire d’effectuer un travail en amont de déconstruction/reconstruction de la complexité de la MEC en étudiant l’effet individuel puis combiné de ses propriétés sur la différenciation des cellules souches. Ce projet de doctorat rentre dans le cadre de ce travail et vise à déterminer le rôle spécifique ou concomitant de différentes propriétés inhérentes à la MEC sur la différenciation ostéoblastique des cellules souches mésenchymateuses humaines (hCSMs). En effet, nous avons évalué l’effet de la composition biochimique de la MEC et la distribution spatiale des ligands sur la différenciation des hCSMs, en fonctionnalisant la surface d’un matériau modèle avec les peptides RGD et/ou BMP-2, distribués d’une manière aléatoire ou structurée. / Actually, it is well-established that maintaining the stemness character of stem cells or eliciting their lineage-specific differentiation is closely related to the nature of their microenvironment, known as stem cell niche. The extracellular matrix (ECM), a key component of stem cell niche, not only provides a support function for stem cells but also dictates their fate decision. From a rational point of view, a biomaterial intended to replace a damaged tissue should mimic the natural ECM in all its aspects, including its biochemistry, 3D structure, topography, porosity, rigidity…. etc. Unfortunately, the design of biomaterials that fully mimic the natural ECM is still a big challenge, due to its high structural and functional complexity. Towards the development of finely-tuned biomaterials, it seems important to start by deconstructing and then reconstructing the complexity of the ECM. In this context, the thesis project, herein, seeks to evaluate both the individual and the synergistic effect of different properties inherent to the natural ECM on human mesenchymal stem cells (hMSCs) osteogenic differentiation. Indeed, we investigated whether the biochemical composition of the ECM and the spatial distribution of its components modulate hMSCs osteogenesis. This was achieved by creating different artificial ECMs, in vitro, containing RGD and/or BMP-2 mimetic peptides, distributed randomly or as specific micropatterns on the surface of a model material.