L’ostéoporose est une maladie fréquente et généralisée du squelette qui se caractérise par une perte de masse osseuse et des altérations de la structure des os. Ces variations des propriétés osseuses, observées à diverses échelles et associées à une augmentation du contenu adipeux de la moelle, témoignent d’une plus grande fragilité du squelette. Ces modifications sont cependant différentes en fonction du site. Cette variation du contenu adipeux médullaire, rapportée notamment dans les os longs du squelette appendiculaire, semble jouer un rôle crucial dans la survenue de l’ostéoporose. Néanmoins, ces altérations ostéo-médullaires, aussi bien quantitatives que qualitatives, sont controversées et peu documentées au niveau des maxillaires, la mandibule en particulier. Le but de notre étude est d’évaluer, au cours du vieillissement et dans un modèle d’ostéoporose (ratte adulte ovariectomisée), les relations entre les variations du contenu adipeux médullaire et la microarchitecture osseuse en site mandibulaire en comparaison avec un site de référence, le tibia. La microarchitecture osseuse, la quantité et la répartition du contenu adipeux médullaire après marquage au tétroxyde d’osmium ont été analysées par microtomographie à rayons X dans la mandibule dentée (os alvéolaire) et non dentée (condyle). Au cours du vieillissement, aucune altération des paramètres osseux et médullaires n’a été mise en évidence. En revanche, le déficit hormonal en oestrogènes induit par ovariectomie conduit à une perte osseuse plus marquée (+35%) dans le tibia que dans la mandibule, associée à des modifications microarchitecturales et adipeuses médullaires site-spécifiques. En effet, en comparaison avec le tibia, un faible contenu adipeux (<10% de moelle) est retrouvé dans le secteur denté (alvéolaire) ainsi que non denté (condyle). A la différence du tibia, au sein duquel un effet de « clustering » des adipocytes est observé à la surface osseuse trabéculaire, le contenu adipeux mandibulaire est réparti de manière homogène dans les espaces médullaires avec très peu de contact avec la surface osseuse trabéculaire. En conclusion, nos résultats indiquent une perte osseuse modérée dans la mandibule par rapport au tibia associée à une augmentation du contenu adipeux médullaire tardive dont la répartition au sein des espaces médullaires n’est pas modifiée à la différence du tibia. Nous émettons l’hypothèse qu’une activité de remodelage et des sollicitations biomécaniques différentes puissent expliquer les spécificités physiopathologiques observées en site mandibulaire. D’autres études seront nécessaires pour préciser l’impact de telles modifications sur la qualité osseuse à l’échelle moléculaire et élémentaire, ainsi que pour préciser les mécanismes de dialogues entre les ostéoblastes et les adipocytes. / Osteoporosis is a common disease of the skeleton characterized by a loss of bone mass and changes in bone structure. These variations in bone properties, observed at various scales and associated with an increase in the bone marrow adipose tissue (BMAT) content, indicate a greater fragility of the skeleton in a site-specific manner. This variation in the BMAT content, reported in some skeletal sites, seems to play a crucial role in the occurrence of osteoporosis. Nevertheless, these bone and marrow alterations, both quantitative and qualitative, are controversial and still poorly documented in the jaw bones, the mandible in particular.The aim of our study was to investigate, during aging and in a rodent model of osteoporosis (adult ovariectomized rat), the relationships between the changes in the bone microstructure, the marrow fat content and its distribution in the mandibular site in comparison with a reference site, the tibia. The bone microstructure, the bone marrow fat content and its distribution after osmium tetroxide staining were analyzed by a specific X-ray microfocus tomography approach in the mandible in the teeth-bearing area (alveolar bone) and in the condyle. During aging, neither bone nor bone marrow alterations have been observed. In contrast, estrogen deficiency did lead to more important bone loss (+35%) in the tibia than in the mandible associated with site-specific microstructural and BMAT modifications. Indeed, in comparison with the tibia, a low BMAT content (<10% of marrow volume) was found in the alveolar bone as well as in the condyle. Compared to tibia which reveals a clustering of the marrow adipocytes at the trabecular bone surface, the mandibular BMAT content was homogeneously distributed and located further away with almost no contact with the trabecular bone surface. In conclusion, our results indicate a moderate bone loss in the mandible compared to the tibia associated with an increase in the BMAT content whose distribution within the marrow spaces is not modified in contrast to tibia. We hypothesize that a differential bone turn-over rate, biomechanical stress may explain in part the mandibular physiopathological specificities reported. Further studies will be needed to precise the impact of such alterations on bone quality at the molecular and elemental level, as well as to depict the mechanisms of dialog between osteoblasts and adipocytes.

Le but de ce travail était de déterminer les effets de la pratique d'activité physique sur le phénotype osseux et l'adiposité médullaire en cas d'insuffisance pondérale selon deux approches complémentaires, chez l'humain et chez les souris. La première étude a été menée sur 24 femmes normo-pondérées et 13 femmes en sous-poids âgées entre 20 et 35 ans. Cette étude a montré que les femmes en sous-poids présentent une faible masse osseuse au niveau du corps entier, rachis lombaire et col fémoral et une altération de la géométrie du col fémoral par rapport aux femmes normo-pondérées, et un score de l'os trabéculaire sur la limite inférieure de la normale. La VO₂ₘₐₓ (L/min) était parmi les principaux déterminants des paramètres osseux chez les jeunes femmes quel que soit leur indice de masse corporelle. Les résultats de cette première étude suggèrent que l'augmentation de la VO₂ₘₐₓ (L/min) sont essentiels pour prévenir la perte osseuse chez les jeunes femmes en sous-poids. La deuxième étude a été menée sur des souris femelles jeunes adultes soumises à un exercice physique volontaire dans une roue combinée à une restriction alimentaire (restriction de 50% de l'apport ad libitum) pendant 15 et 55 jours. Cette étude a démontré que la perte pondérale liée à la restriction alimentaire présente des répercussions négatives sur l'os cortical avec peu d'effets néfastes sur l'os trabéculaire et est associée à une augmentation du nombre des adipocytes médullaires dès 15 jours de restriction. Cette étude a également démontré que l'exercice physique volontaire dans une roue ne protège pas contre les modifications de l'architecture osseuse et l'accumulation de l'adiposité médullaire liées à la restriction alimentaire. Parce que la ghréline est apparue comme régulateur potentiel de l'adiposité médullaire, la troisième étude a été menée sur des souris femelles jeunes adultes dépourvues du récepteur de la ghréline (Growth Hormone Secretagogue Receptor, Ghsr-/-) soumises à une restriction alimentaire (restriction de 50% de l'apport ad libitum) combinée à un exercice physique volontaire dans une roue de 21 jours. Cette étude a démontré que la ghréline est un médiateur clé de l'expansion de l'adiposité médullaire associée à la restriction alimentaire suite à l'activation du GHSR et que la restriction alimentaire est nécessaire pour révéler certaines différences dans la microarchitecture osseuse associée à l'invalidation du GHSR. / The aim of this work was to determine the effects of physical activity on bone phenotype and bone marrow adiposity in underweight conditions using two complementary approaches, on human and on mice. The first study was conducted on 24 normal weight women and 13 underweight women aged 20-35 years. This study showed that underweight women have appropriately lower bone mass at the whole body, lumbar spine and femoral neck and altered femoral neck geometry compared to normal weight women, and a trabecular bone score on the lower limit of normal. VO₂ₘₐₓ (L/min) was considered as strong determinant of bone parameters in young adult women regardless of their body mass index. The results of this first study suggest that increasing VO₂ₘₐₓ (L/min) is essential to prevent bone loss in underweight young women. The second study was conducted on young adult female mice subjected to voluntary wheel running and food restriction (50% of ad libitum intake) during 15 and 55 days. This study demonstrated that weight loss related to food restriction has a negative impact on cortical bone with few adverse effects on trabecular bone and is associated with an increase in the number of bone marrow adipocytes already after 15 days of restriction. This study also showed that voluntary wheel running exercise does not protect against changes in bone architecture and accumulation of bone marrow adiposity related to food restriction. Because ghrelin appeared as a potential regulator of bone marrow adiposity, the third study was conducted on young adult mice lacking the ghrelin receptor (Growth Hormone Secretagogue Receptor, Ghsr-/-) subjected to voluntary wheel running and food restriction (50% of ad libitum intake) during 21 days. This study demonstrated that ghrelin is a key mediator of food restriction - associated bone marrow adiposity expansion through activation of GHSR and that food restriction is necessary to reveal some differences in bone microarchitecture associated to GHSR invalidation.

La physiopathologie et l'évolution structurale de l'ostéonécrose de tête fémorale (ONTF) sont des processus encore largement méconnus. Les objectifs de cette thèse ont été de rechercher des modifications de composition et de structure de l'os trabéculaire et de l'os sous-chondral dans l'ONTF. Un travail préliminaire s'est intéressé aux modifications de composition osseuse en spectrométrie Raman induites par l'embaumement afin de déterminer les témoins les plus appropriés pour comparer les os pathologiques. Des tissus osseux fémoraux issus de 5 sujets anatomiques embaumés ont ainsi été comparés à ceux de 5 sujets anatomiques frais. Le premier travail sur l'ONTF a consisté à rechercher des modifications des paramètres physico-chimiques minéraux et organiques en spectrométrie Raman de l'os trabéculaire de tête fémorale chez 11 patients ayant une ONTF versus 11 sujets frais. Le second travail concernant l'ONTF a porté sur l'étude de l'os sous-chondral. Cette recherche a prévu l'inclusion de 15 patients ayant une ONTF à 15 patients ayant une coxarthrose nécessitant un remplacement prothétique. Une évaluation IRM avec séquences usuelles, séquences de perfusion et séquences DIXON était réalisée préalablement à la chirurgie. Après la chirurgie, l'ensemble de la tête fémorale était ensuite analysé en nano-scanner (nano-CT), puis des biopsies en zones d'intérêt ont été réalisées et analysées par histologie, nano-CT avec amplificateur de contraste et spectrométrie Raman.RésultatsLa composition des tissus osseux fémoraux des sujets anatomiques frais et embaumés différaient de manière significative sur les paramètres minéraux et organiques. La composition de l'os trabéculaire sur les zones d’intérêt ne différait pas entre les patients ayant une ONTF et le groupe de sujets anatomiques frais après ajustement sur l'âge. Le volume de nécrose définie en IRM par la zone en hyposignal T1 est corrélé au volume de nécrose incluant la zone sclérotique en nano-CT. Concernant l'os sous-chondral, les résultats préliminaires mettent en évidence des différences de composition minérale et organique en spectrométrie Raman au niveau de la plaque souschondrale entre les zones d’intérêt du groupe ONTF et avec le groupe coxarthrose. Les résultats préliminaires qualitatifs des biopsies en nano-CT et en histologie suggèrent que l'atteinte de la plaque sous-chondrale est prédominante sur celle de l'os trabéculaire souschondral. L’évaluation IRM (séquence DIXON) et en nano-CT de la richesse adipeuse suggère une relative pauvreté adipeuse de la tête fémorale mais une richesse excessive du col fémoral.Ce travail apporte des éléments supplémentaires suggérant que la désorganisation de l'os trabéculaire au cours de l'ONTF est une conséquence d'une atteinte massive de l'os sous-chondral. / IntroductionThe pathophysiology and structural evolution of the osteonecrosis of the femoral head (ONFH) are poorly understood. The objectives of this thesis were to search for modifications of composition and structure of both the trabecular and the subchondral bone occurring during ONFH.MethodsA preliminary study looked into the potential modifications of bone composition induced by embalmment procedures using Raman spectroscopy in order to determine which controls are the most appropriate for comparisons with pathological bones. Femoral bones from 5 embalmed anatomical subjects were compared to femoral bones from 5 subjects that did not undergo any preservation procedure. The first work on ONFH addressed the potential modifications of trabecular bone mineral and organic physico-chemical parameters using Raman spectroscopy. The study included bone samples from femoral heads of 11 patients affected with ONFH and compared them to samples from 11 fresh anatomical subjects. The second study on ONFH addressed modifications of the subchondral bone. The study included 15 patients suffering from ONFH and 15 patients affected with hip osteoarthritis (OA) requiring joint prosthetic replacement. MRI examination that included standard medical sequences as well as experimental perfusion and DIXON sequences was performed prior to surgery. Once removed, the femoral heads were scanned using a nano-CT and samples of regions of interest were performed and analysed using histology, nano-CT with contrastenhancer marking and Raman spectroscopy.ResultsBone femoral mineral and organic composition was significantly altered in embalmed samples. Trabecular bone composition did not differ in any of the regions of interest inside the group of patients with ONFH nor in comparison with the control group of embalmed subjects after adjustment on age. The volume of the necrotic zone defined by the hypo-T1 MRI signal correlates to the volume including the sclerotic zone measured by nano-CT. Regarding the subchondral bone, preliminary results found differences of mineral and organic composition of the subchondral plate between zones of the ONFH group and with the OA group. Qualitative preliminary results from the study of biopsies analysed with the nano-CT and histology suggest that there are alterations of the subchondral plate and of the subchondral trabecular bone to a lesser extent. MRI examination with the DIXON sequence and nano-CT scans suggest that there is a decrease of the adipose content in the femoral head but an increase in the femoral neck in the ONFH group compared to the OA group.ConclusionThis work adds further evidence advocating that trabecular disorganization during ONFH is a consequence of massive alterations of the subchondral bone.