L’ostéoporose ménopausique par une accélération du remodelage osseux, conduit à une masse osseuse basse et à des altérations de la microarchitecture, augmentant ainsi le risque de fracture. Les bisphosphonates diminuent l’activité du remodelage osseux en inhibant la résorption osseuse qui conduit à un maintien de la densité minérale osseuse et à une diminution du risque fracturaire. Ce traitement étant la plupart du temps chronique, l’étude de ses effets sur les différents niveaux d’organisation de l’os, du cristal à sa macrostructure, est primordiale. A travers deux études portant sur l’ibandronate et l’alendronate, nous avons montré que leur utilisation préservait la minéralisation osseuse tissulaire. Cependant, une utilisation prolongée (6,4 ans) de l’alendronate, nous a permis de mettre en évidence un mécanisme d’action impliquant des modifications de la structure des cristaux avec un effet sur les propriétés mécaniques locales. Si l’efficacité anti fracturaire de l’alendronate est démontrée après dix ans de traitement, nos résultats suggèrent des altérations de la qualité osseuse à une échelle plus locale / Postmenopausal osteoporosis is characterized by an increase in remodelling activity leading to a low bone mass and alterations in microarchitecture, increasing the risk of fracture. Bisphosphonates slowdown remodeling inhibiting bone resorption, thus bone mineral density is preserved with a decrease in the risk of fracture. Such a treatment is often chronic, making the study of their long-term effects on multiscale bone quality (from the crystal to the macrostructure) of clinical relevance. Thank to two different studies on ibandronate and alendronate, we showed that these treatments preserved the mineralization of bone tissue. However, we firstly described that a long-term treatment with alendronate alter the structure of bone mineral crystals with a direct effect on micromechanical properties. Even if, the reduction in the risk of fracture under alendronate has been established after a ten year treatment, our results suggest alterations in bone quality at tissular and sub-tissular levels of organization

L'ostéoporose ménopausique par une accélération du remodelage osseux, conduit à une masse osseuse basse et à des altérations de la microarchitecture, augmentant ainsi le risque de fracture. Les bisphosphonates diminuent l'activité du remodelage osseux en inhibant la résorption osseuse qui conduit à un maintien de la densité minérale osseuse et à une diminution du risque fracturaire. Ce traitement étant la plupart du temps chronique, l'étude de ses effets sur les différents niveaux d'organisation de l'os, du cristal à sa macrostructure, est primordiale. A travers deux études portant sur l'ibandronate et l'alendronate, nous avons montré que leur utilisation préservait la minéralisation osseuse tissulaire. Cependant, une utilisation prolongée (6,4 ans) de l'alendronate, nous a permis de mettre en évidence un mécanisme d'action impliquant des modifications de la structure des cristaux avec un effet sur les propriétés mécaniques locales. Si l'efficacité anti fracturaire de l'alendronate est démontrée après dix ans de traitement, nos résultats suggèrent des altérations de la qualité osseuse à une échelle plus locale

Utilisés dans le traitement de nombreuses pathologies osseuses bénignes (ostéoporose) et malignes (myélome, métastases osseuses), les biphosphonates ont une action inhibitrice sur la résorption et le remodelage osseuse. Ils permettent d’augmenter la masse et la densité de minéralisation osseuse. Ils présentent une forte affinité pour l'os notamment pour les sites à fort remodelage. Les conséquences moléculaires de leur incorporation, en particulier dans les sites osseux à fort remodelage, restent encore à élucider. Ce travail se propose donc d’étudier à l’échelle moléculaire l’impact des biphosphonates sur la composition et la structure du tissu osseux à partir de deux modèles de forte accumulation : la néoformation osseuse chez le rat et l’ostéonécrose des maxillaires liée aux biphosphonates. Nos résultats indiquent que, dans ces conditions, les biphosphonates sont à l’origine de modifications importantes du contenu minéral du tissu osseux et provoquent des altérations structurales concernant les phases minérale et organique. En particulier, une hyperminéralisation est mise en évidence dans le contexte physiopathologique spécifique de l’ostéonécrose des maxillaires liée aux biphosphonates. Cette altération résulterait de processus de minéralisation secondaire avancés liés à l’inhibition du remodelage continu des maxillaires par les biphosphonates. De plus, les modifications de la structure cristalline observées dans les deux modèles témoignent d’un effet direct des biphosphonates lié à la fixation/interaction à la maille cristalline. Enfin, une perturbation des phénomènes de stabilisation de la matrice collagénique osseuse au cours de la néoformation osseuse est suggérée et peut être attribuée à un effet potentiel des biphosphonates sur les cellules ostéoblastiques. Ce travail permet ainsi d’appréhender les conséquences moléculaires d’une accumulation de biphosphonates sur la qualité osseuse. / Biphosphonates are known for their anti-resorptive effects in benign (osteoporosis) and malignant bone diseases (myeloma, bone metastasis). Their clinical properties are based on the net increase of bone mass and mineral density. Their strong affinity for biominerals allows them a targeting for specific bone remodeling sites and a prolonged storage within bone. Little is known about molecular changes upon bisphosphonates uptake in high turnover bone sites. Therefore, the aim of the present work was to examine intrinsic bone material properties in a high cumulative bisphosphonates context such as newly-formed bone and bisphosphonates-related osteonecrosis of the jaws. Our results show that bisphosphonates could be linked to the overmineralization reported in jaw bones. In addition, bisphosphonates cause ultrastructural disorders of both mineral and collagenic components. These modifications could be attributed to: i) bisphosphonates effects on the duration of mineralization processes, ii) to its mineral binding/interaction consequences, and iii) interestingly to its potential contribution on the osteoblastic function. This work contributes to clarify the molecular impacts of high cumulative bisphosphonates uptake on bone quality.

Avec l'âge, les propriétés mécaniques des os se détériorent, conduisant à un risque accru de fracture. Bien que les mesures de densité minérale osseuse permettent de prédire, dans une certaine mesure, ces risques, elles restent insuffisantes dans un grand nombre de cas. Une compréhension plus complète des différents facteurs permettant de définir la « qualité » d'un os est donc souhaitable. Il est connu que la résistance à la fracture de tissus osseux est affectée non seulement par la glycosylation non-enzymatique du collagène, mais aussi par des protéines non collagéneuses comme l'ostéocalcine (OC) et l'ostéopontine (OPN). Cependant, le rôle structural de ces deux protéines dans l'os est mal connu, de même que la façon dont elles contribuent aux propriétés mécaniques globales. L'objectif de cette thèse est donc de répondre à ces deux points. Un modèle synthétique a ainsi été développé pour élucider quelles sont les interactions-clés gouvernant l'interaction de l'OC et l'OPN avec la phase minérale osseuse. Par ailleurs, en utilisant des os de souris génétiquement modifiées (déficientes en OC et/ou OPN), des études RMN solide ont été menées, pour élucider le rôle de l'OC et l'OPN à l'interface organique-inorganique. Leur lien avec les propriétés mécaniques a aussi été étudié en détail, via des tests de rupture, de fatigue et de fluage. Les résultats obtenus montrent que l'OC et l'OPN ont un rôle structural important dans les tissus osseux, et qu'elles contribuent aux propriétés mécaniques par le biais de leurs interactions ioniques, au niveau des interfaces entre les fibrilles de collagène minéralisés. / The decrease in bone mechanical properties occurs with age. The associated fragility fractures present a global public health concern. The use of bone mineral density as a predictor of risk of fracture is, however, limited. A more comprehensive understanding of bone quality and its link to bone fragility is thus desirable. Besides the brittleness caused by nonenzymatic glycation of collagen, bone fracture resistance is also influenced by noncollagenous components such as osteocalcin (OC) and osteopontin (OPN). The structural role of OC and OPN in bone and how they contribute to mechanical properties is however unclear. The objective of this thesis is to elucidate these two aspects. Key interactions associated with the binding of OC and OPN to bone mineral were studied in a synthetic model. Using genetically modified animal model lacking OC and/or OPN, the role of OC and OPN in organic-inorganic interface was examined by solid state NMR, and their link to mechanical properties was studied via a series of tissue level mechanical tests, measuring fracture toughness, creep, or fatigue. Based on the results obtained, it is concluded that OC and OPN are present as structural elements in bone and contribute to tissue mechanical properties via ionic interactions at the interfaces between mineralized fibrils.

La fracture ostéoporotique du col fémoral et la coxarthrose constituent aujourd'hui deux enjeux majeurs de santé publique chez les sujets âgés. L'ostéoporose est définie par une diminution de la masse osseuse et une altération de la structure osseuse. La coxarthrose d'autre part associe la perte progressive du cartilage d'encroûtement articulaire, une sclérose osseuse sous-chondrale, des géodes sous-chondrales, et des ostéophytes marginaux. Bien qu'une masse osseuse élevée semble prédisposer à l'arthrose, les relations métaboliques et biomécaniques entre ostéoporose et coxarthrose sont complexes. L'évaluation de l'architecture osseuse de l'extrémité proximale du fémur est un des enjeux majeurs de recherche actuels visant à la caractérisation des modifications du tissu osseux liées au vieillissement. Notre travail de thèse s'est inscrit dans un projet pluridisciplinaire de recherche sur les altérations de la structure osseuse de l'extrémité proximale du fémur, reposant sur une analyse en imagerie médicale et une étude biomécanique de cette région anatomique fondamentale. / Fracture of the proximal femur and hip osteoarthritis are nowadays a major public health problem in elderly persons. The current definition of osteoporosis is a low bone mass associated with microarchitecture deterioration. On the other hand, osteoarthritis corresponds to progressive articular cartilage loss, subchondral bone sclerosis, subchondral bone cysts, and marginal osteophytes. Although a higher bone mass may increase the risk of osteoarthritis, osteoporosis and hip osteoarthritis present a complex metabolic and biomechanical relationship. The proximal femur architectural evaluation and characterization of age-related osseous alterations are currently one of the main challenges in bone and mineral research. Our work was based on a multidisciplinary project which aimed at evaluating the age-related structural deterioration of the proximal femur using medical imaging and biomechanical testing in this crucial anatomical region.

L’os est un matériau dont les propriétés évoluent tout au long de la vie en fonction des contraintes environnementales. Aujourd’hui, les modalités d’imagerie permettent aux cliniciens d’évaluer la qualité osseuse chez l’adulte. Malheureusement, ces outils diagnostics ne sont pas adaptés pour l’enfant (nocivité des radiations, anesthésie ou sédation nécessaire), et le développement d’un outil clinique nécessite une bonne connaissance des propriétés du tissu osseux pédiatrique.Peu d’études ont analysé les propriétés du tissu osseux au cours de la croissance. Cette pénurie de données de référence s’explique par la faible quantité d’échantillons disponible pour les essais en laboratoire et par la qualité même de ces échantillons pour la plupart «prélevés» et associés à une pathologie de l’enfant.Les objectifs de ce travail de thèse s’inscrivent dans une logique de compréhension des mécanismes et des propriétés de l’os en croissance. L’intérêt majeur de ce travail est donc d’apporter de nouvelles connaissances sur l’os cortical pédiatrique. Les propriétés mécaniques et tissulaires ont été étudiées via l’utilisation de diverses techniques: la microtomographie, la microradiographie, la FTIRM, la biochimie, la compression, la caractérisation ultrasonore et la nanoindentation. Ce travail a permis de mettre en avant l’évolution de l’os cortical pédiatrique vers un état mature: la structure des fibres de collagène se hiérarchise, le tissu se minéralise. Ces changements dans la structure du tissu osseux lui permettent de se rigidifier. Ces travaux de thèse ont permis de mieux comprendre cette évolution, et vont permettre d’avoir une 1ère base de données sur la fibula infantile. / Bone is a material whose properties change throughout life depending on environmental constraints. Today, imaging modalities allow clinicians to assess bone quality in adults. Unfortunately, these diagnostic tools are not suitable for children (harmful radiation, anesthesia or sedation required). Development of a clinical tool requires a good knowledge of pediatric bone tissue properties.Few studies have analyzed the properties of bone tissue during growth. This lack of reference data is due to the small amount of samples available for laboratory testings and the quality of these samples for the most taken and associated with a child's illness.The aims of this thesis are to understand the growing bone. The major interest of this work is to provide new knowledge on pediatric cortical bone. Mechanical, structural and chemical properties have been studied by the use of various techniques: tomography, microradiography, FTIRM, biochemistry, compression, ultrasonic characterization and nanoindentation.This work allowed to highlight that pediatric cortical bone evolves into a mature state: maturation of collagen cross-links, mineralization of bone tissue. These changes in the structure of the bone allows it to stiffen. This work allows to understand this evolution and will enable to have a first database on child fibula.

L’ostéoporose est définie par une diminution de la masse osseuse et une altération de la structure osseuse. L’évaluation de l’architecture de l’os trabéculaire vertébral est un des enjeux majeurs de recherche actuels visant à la caractérisation des modifications du tissu osseux liées au vieillissement. Par ailleurs, le traitement de la fracture vertébrale ostéoporotique par vertébroplastie a démontré son efficacité. Le ciment actuel utilisé pour la vertébroplastie est le polyméthylméthacrylate. Ce ciment est efficace pour stabiliser la vertèbre et diminuer la douleur mais il existe une toxicité pour les tissus mous avoisinant, notamment la moelle en cas de fuite, et des inquiétudes quant au risque de fracture des vertèbres adjacentes. De nouveaux ciments biointégrables du type ciments phosphocalciques supplémentés en bisphosphonates pourraient avoir leur place à l’avenir dans le traitement des vertèbres.Notre travail de thèse s’est inscrit dans un projet pluridisciplinaire de recherche sur les altérations de la structure de l’os trabéculaire vertébral, reposant sur une analyse en imagerie médicale et une étude biomécanique, et sur le développement d’un nouveau ciment phosphocalcique supplémenté en bisphosphonates.L’ensemble de nos résultats pourra nous permettre :-D’améliorer la prédiction du risque de fracture vertébrale ostéoporotique-D’optimiser les nouveaux ciments biointégrables / The current definition of osteoporosis is a low bone mass associated with a microarchitecture deterioration. Vertebral trabecular bone microarchitecture assessment is an important research topic aiming at the characterization of the modifications of the bone tissue bound to ageing. On the other hand, the vertebral fracture treatment by vertebroplasty is known to be effective. Currently the cement used in vertebroplasty is the polymethylmetacrylate (PMMA). This cement stabilizes the vertebral fracture and decreases the pain, but there are a toxicity for nearby soft tissues, in particular spinal marrow in case of leakage, and concerns as for the risk of fracture of the neighboring vertebrae. In the future, new biointegrable calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate could be used in the vertrebrae treatment.Our work was based on a multidisciplinary project which aimed firstly at evaluating trabecular vertebral bone microarchitecture using medical imaging and biomechanical testing in this crucial anatomical region, secondly at developing a new calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate. Our results may lead to:- improve the fracture risk prediction in osteoporotic vertebra- improve the new biointegrable cements

La qualité osseuse est un paramètre important à prendre en compte lors des différents types de chirurgie mis en œuvre pour les interventions sur le rachis. Cependant, ce paramètre reste difficile à estimer in vivo du fait notamment de la difficulté à accéder à ce site anatomique. Ce travail porte sur le développement d'une technique ultrasonore permettant d'estimer la qualité osseuse en utilisant la réponse échographique d'une tige métallique insérée dans l'os et utilisée dans le cadre de la chirurgie du rachis. Des travaux expérimentaux montrent la faisabilité de notre approche in vitro. Une tige métallique similaire à celle utilisée en clinique est insérée dans des échantillons d'os trabéculaire perpendiculairement à l'axe du traducteur. Les réponses échographiques de la tige immergée dans l'eau et insérée dans l'os sont comparées, ce qui permet de déterminer la vitesse de propagation dans l'os (SOS, Speed of Sound), ainsi que la pente du coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (BUA, Broadband Ultrasonic Attenuation). Les résultats obtenus pour les 21 échantillons montrent i) une corrélation significative entre SOS et la fraction volumique d'os (BV/TV, R² = 0.6 et p < 0.001); et ii) une non-linéarité de la variation du BUA et BV/TV (R² = 0.22 et p<0.001). Des simulations numériques utilisant des éléments finis spectraux en 2D permettent de mieux comprendre la propagation ultrasonore et d'estimer la sensibilité des mesures à des erreurs de positionnement de la tige et du capteur. De plus, des simulations numériques par différences finies dans le domaine temporel en 3D permettent de mieux comprendre l'interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux en comparant les résultats expérimentaux et numériques. Ce travail prouve la faisabilité de cette approche de caractérisation ultrasonore pour estimer la qualité osseuse, ce qui ouvre la voie à de possibles études cliniques dans le futur. / Bone quality is an important parameter which should be taken into account during the different types of surgical procedures used in spine surgery. However, this parameter remains difficult to be determined in vivo, mostly due to difficulties of positioning different sensors around this anatomical site. The aim of this work is to develop an ultrasonic technique allowing to assess bone quality using the echographic response of a metallic rod inserted in bone tissue and used in spine surgery. Experimental works show the feasibility of the technique in vitro. A metallic rod similar to the one used in the operating room is inserted in trabecular bone samples perpendicularly to the transducer axis. The echographic responses of the rod immersed in water and in bone tissue are compared, which allows to determine the wave velocity in bone tissue, as well as the slope of the attenuation coefficient as a function of frequency (BUA, broadband ultrasonic attenuation). The results obtained for the 21 samples show i) a significant correlation between SOS and bone volume fraction (BV/TV, R² = 0.6, p < 0.001); and ii) a non linear variation of BUA as a function of BV/TV (R² = 0.22, p<0.001).Numerical simulation using 2D spectral finite element simulation allows to better understand wave propagation and to estimate the sensitivity of the measurements to positioning errors of the rod and of the sensor. Moreover, 3-D finite difference time domain simulation allows to better understand the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue by comparing the experimental and numerical results. This work proves the feasibility of this ultrasonic characterization approach to estimate bone quality, which opens the way to future clinical studies.