Ce projet de recherche porte sur la reconstruction du ligament croisé antérieur du genou (LCA) par génie tissulaire. Fréquente chez les sportifs et les personnes actives, la rupture du LCA compromet la stabilité fonctionnelle du genou. Notre équipe de recherche a développé un ligament reconstruit par génie tissulaire qui pourrait éventuellement servir d’option de remplacement, suite à une rupture du LCA. Notre modèle expérimental étant la chèvre, les expériences de greffe sur des périodes variant entre 1 et 13 mois, ont démontré une revascularisation, une innervation, un renouvellement de la matrice, la formation de cartilage structuré aux insertions osseuses, ainsi qu’un gain de force et de rigidité. Dans le but d’optimiser la procédure de production et d’implantation en prévision d’éventuels essais cliniques, des tests ont été effectués in vitro pour préparer une prochaine série de greffes d’un substitut du LCA de 2e génération. Ce nouveau substitut ligamentaire n’est pas ancré par des blocs osseux, alors sa fixation à l’articulation du genou sera effectuée en utilisant des endoboutons, une pratique devenue courante en chirurgie de reconstruction du LCA (Chapitre 1). L’adaptation de la technologie aux méthodes d’implantation privilégiées en clinique constitue une étape essentielle pour évaluer son potentiel chez l’humain. La conception et la production de substituts du LCA par génie tissulaire présentent un potentiel très intéressant et prometteur au plan clinique.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Problématique : La réadaptation post reconstruction du ligament croisé antérieur (rLCA) est longue, un résultat positif n'est pas garanti et la réadaptation entre le 3ᵉ et le 6ᵉ mois post rLCA est rarement standardisée. Le programme intensif post rLCA du Rouge & Or de l'Université Laval (PRORO-UL) entraînerait de bons résultats selon les cliniciens l'utilisant, mais il n'a jamais été étudié avec des athlètes amateurs (AA) en comparaison avec le traitement usuel ($Guide d'intervention du CHU de Québec - Université Laval et cliniques privées de Québec$ (CHU-CP)). Méthodes : Lors d'un essai clinique randomisé à simple insu (NCT04137003), 66 AA (3 mois après rLCA) ont été assignés de façon aléatoire au groupe PRORO-UL (n=33; 23,3 ± 3,25 ans) ou au groupe CHU-CP (n=33; 24,9 ± 4,92 ans). Les symptômes et limitations fonctionnelles ont été évalués au 3ᵉ, 6ᵉ, 9ᵉ et 12ᵉ mois post rLCA. La variable principale était le questionnaire $Knee Outcome Survey-Activities of Daily Living Scale et les questionnaires International Knee Documentation Committee, Anterior Cruciate Ligament-Return to Sport after Injury, Brief Pain Inventory$ et les tests de sauts, force musculaire des extenseurs et fléchisseurs du genou et le taux de retour au sport (RAS) à un an étaient les variables secondaires. Des analyses non paramétriques pour données longitudinales ont été réalisées. Résultats : Toutes les variables ont évolué favorablement pour les deux groupes (effet temps : p<0,0001 à 0,042) sans interaction significative groupe x temps (p=0,074 à 0,962) ni d'effets de groupe (p=0,096 à 0,865). Aucune différence n'a été observée pour le RAS (PRORO-UL 39%, 11/28; CHU-CP 37%, 11/30) (p = 0.840)). Conclusions : Structuré, spécifique et exigeant, le PRORO-UL n'entraîne pas de gains supérieurs au CHU-CP chez des AA, mais il demeure une alternative efficace, standardisée et sans effets négatifs 3 mois post rLCA. / Background : Rehabilitation following anterior cruciate ligament reconstruction (ACLr) is long, a positive outcome is not guaranteed, and no standardization exists during the 3-6-month period. The intensive program post ACLr Rouge & Or de l'Université Laval (PRORO-UL) seems to lead to good results according to the clinicians that implemented it but has not been used with amateur athletes nor compared with usual rehabilitation care ($Guide d'intervention du CHU de Québec - Université Laval et cliniques privées de Québec$ (CHU-CP)). Method: For this single-blind (evaluator) randomized controlled trial (NCT04137003), 66 amateur athletes (3 months post ACLr) were randomly assigned to PRORO-UL (n=33; aged 23.3 ± 3.25) or CHU-CP (n=33; aged 24.9 ± 4.92). Symptoms and functional limitations were assessed at baseline (3 months post ACLr), 6-, 9- and 12-months post ACLr. Knee Outcome Survey-Activities of Daily Living Scale (KOS-ADLS) is the primary outcome and the International Knee Documentation Committee questionnaire, Anterior Cruciate Ligament-Return to Sport after Injury scale, Pain Severity subscale of the Brief Pain Inventory, hop-tests, knee flexor and extensor muscle strength and return to sport (RTS) rate were the secondary outcomes. Nonparametric analysis for longitudinal data were used to compare groups. Result: While both groups evolved favourably on all outcomes (Time effect: p<0.0001 to 0.042), there were no significant group x time interactions (p=0.074 to 0.962) nor group effect (p=0.096 to 0.865). There was no significant difference (p = 0.840) in the one-year RTS rate (PRORO-UL = 39%, 11/28, CHU-CP = 37%, 11/30). Conclusions : In amateur athletes post ACLr, an intensive rehabilitation program, although well structured, specific, and physically demanding, PRORO-UL does not seem to provide incremental benefits compared to CHU-CP. The CHU-CP remains a standardized, feasible, secure, and effective alternative without known adverse effect three months post ACLr.

Les traumatismes au genou, tels que les ruptures du ligament croisé antérieur, sont particulièrement fréquentes lors de la pratique d’un sport ou d’une activité physique. La conséquence à moyen ou long terme est l’apparition d’une arthrose précoce. Si l’activité physique peut être indirectement la cause du développement de cette pathologie, elle constitue également une forme de thérapie non pharmacologique. Les effets de l’exercice seront étudiés aussi bien chez l’homme que chez l’animal, à différents stades du développement de l’arthrose sur des paramètres variés. La gonarthrose est une maladie qui se caractérise par de nombreuses modifications des structures de l’articulation du genou. Ainsi, l’os sous chondral est particulièrement implique dans l’initiation ou la progression de l’arthrose. Les méthodes de diagnostic classiquement employées seront complétées par l’analyse de l’organisation des travées osseuses, par l’analyse de la densité minérale osseuse, par l’analyse microscopique de l’ostéocyte et des lacunes dans lesquelles il se trouve. Nos résultats démontrent que l’exercice a des effets positifs sur l’os sous chondral avec un meilleur contrôle de la minéralisation probablement via une augmentation de la viabilité des ostéocytes. / Knee injuries, such as anterior cruciate ligament rupture, occur frequently in sport or exercise. Mid-term or long-term consequence is an early osteoarthritis. If physical activity can be indirectly the cause of development of this disease, it is also a form of non-pharmacological therapy. The effects of exercise will be studied both in humans and animals at different osteoarthritis severity stages on various parameters. Knee osteoarthritis is a disease that is characterized by many changes in the structure of the joint. Thus, the subchondral bone is particularly involved in the initiation or progression of osteoarthritis. Diagnostic methods usually employed, will be complemented by the analysis of trabecular bone organization, analysis of bone mineral density, microscopic analysis of osteocytes and their lacunae in which they are embedded. Our results show that exercise has positive effects on subchondral bone with better control of the mineralization probably through an increase in the viability of osteocytes.

Le Laboratoire de génie tissulaire est reconnu pour ses réalisations en ce domaine. Le principal défi soulevé par cette approche est le choix de la matrice des tissus reconstruits. Mes travaux ont consisté à établir une technologie de synthèse de collagène humain recombinant à des fins expérimentales et cliniques. Ce collagène sera utilisé éventuellement pour produire des substituts du ligament croisé antérieur (LCA) du genou, par génie tissulaire. Ces substituts ligamentaires pourraient être une alternative de remplacement des LCA rupturés. Le Dr. Nazrul Islam a conceptualisé une stratégie moléculaire pour construire un plasmide incluant les gènes codant pour les deux chaînes du collagène humain de type 1 et les deux sous-unités de l'enzyme prolyl-4-hydroxylase. Des cellules d'insecte ont été transfectées avec ce vecteur, en exploitant le système de bacul ovi rus, pour synthétiser le collagène recombinant. J'ai participé à chaque étape et à la mise au point des protocoles optimisé à grande échelle de cette nouvelle technologie, pour ensuite purifier le collagène et le caractériser biochimiquement. Mes superviseurs et moi-même considérons que ces travaux ont réussi et que bientôt, des substituts ligamentaires humains seront greffés pour évaluer leur intégration dans une articulation du genou in vivo.

La rupture du ligament croisé antérieur du genou est très fréquente, notamment dans les activités qui impliquent des contraintes en rotation. Une dégénérescence du cartilage articulaire du genou peut par la suite engendrer une arthrose. Le but de cette étude était d’une part dans les pathologies traumatiques et d’autre part dans les pathologies dégénératives, atteignant cette articulation, d’analyser les facteurs prédictifs du contrôle postural et de la récupération fonctionnelle. Les effets d’une rééducation innovante combinant une rééducation conventionnelle réduite avec une rééducation en milieu aquatique ont été comparés à ceux d’une rééducation conventionnelle définie par la Haute Autorité de Santé, sur la cinétique de récupération des compétences proprioceptives et sur l’amélioration fonctionnelle. Le contrôle postural par posturographie et la motricité au moyen de tests cliniques ont été quantifiés chez 67 patients ayant présenté une rupture du ligament croisé antérieur, avant intervention et jusqu’à six mois après intervention chirurgicale. Les effets des paramètres météorologiques sur le contrôle postural et la douleur dans la gonarthrose ont été évalués chez 113 patients, par posturographie et échelle de douleur. Pour une même qualité globale du contrôle postural six mois après ligamentoplastie du genou, les patients ayant suivi le protocole de rééducation innovant utilisaient davantage la somesthésie que ceux ayant suivi une rééducation conventionnelle, qui devaient recourir plus à un mécanisme de compensation. La proprioception était améliorée deux mois après l’intervention chirurgicale par rapport à l’évaluation pré-opératoire chez les patients ayant suivi le protocole innovant. La force musculaire était plus importante chez les patients ayant suivi le protocole de rééducation innovant un mois, deux mois et six mois après intervention. Un mois après l’intervention, la distance de marche parcourue était plus importante chez les patients ayant suivi la rééducation innovante que chez les patients ayant suivi la rééducation conventionnelle. Chez les patients présentant une gonarthrose, une dégradation du contrôle postural était observée lorsque la pression atmosphérique et l’humidité maximale diminuaient au cours de la matinée et lorsque la pression atmosphérique diminuait au cours de la journée. L’augmentation de la douleur était corrélée avec l’augmentation de la température sur la matinée et avec l’augmentation de la température et de l’humidité sur la journée. L’environnement dans lequel évolue le sujet (ex : milieu aquatique, ambiance climatique) a donc une influence sur la performance du contrôle postural. Une meilleure prise en charge en rééducation post-ligamentoplastie du genou permettrait de limiter la nécessité de compensation sur le membre contralatéral par une meilleure utilisation de la somesthésie et ainsi prévenir la survenue de l’arthrose et d’une rupture ligamentaire contralatérale. Ceci permettrait de limiter les coûts socio-professionnels / The knee can suffer damage from either traumatic or degenerative pathology. Anterior cruciate ligament (ACL) injuries frequently occur, especially in activities that including rotational stresses. Degeneration of the articular cartilage of the knee can subsequently result in osteoarthritis. The aim of this study was to analyze the predictive factors of postural control and recovery in traumatic injuries and also in degenerative pathologies of the knee. The effects of an innovative rehabilitation protocol combining reduced conventional rehabilitation with aquatic rehabilitation were compared with conventional rehabilitation defined by the National French Health Authority on the kinetics of recovery of proprioceptive skills and functional improvement. Postural control and motor control using clinical tests were quantified in 67 patients with ACL surgery before and up to six months after surgery. The effects of meteorological parameters on postural control and pain in knee osteoarthritis were evaluated in 113 patients, using posturography and also a pain scale. Six months after knee ligament surgery, both groups attained the same quality of postural control. However, patients who followed the innovative protocol made more used of proprioceptive inputs compared to the group who underwent conventional rehabilitation who made more use of a compensation mechanism. In patients following the innovative protocol proprioception was improved two months after surgery compared to before surgery. Muscle strength was higher in patients who followed the innovative rehabilitation protocol at one, two and six months after surgery. One month after surgery, the walking distance traveled was higher in patients who underwent innovative rehabilitation than in patients who had undergone conventional rehabilitation. In patients with knee osteoarthritis, degradation of postural control was observed when atmospheric pressure and maximum humidity decreased during the morning and when atmospheric pressure decreased during the entire day. Increased pain was correlated with increased temperature in the morning and with increased temperature and humidity during the entire day. The environment in which evolves the subject (aquatic, climatic) thus has an influence on postural control performance. A better management in post-ligamentoplasty rehabilitation of the knee would reduce the need for compensation using the contralateral limb, by better use of somesthesia. This could prevent the occurrence of osteoarthritis and a contralateral ACL injury, which would also reduce costs to the society and health care

L'ingénierie tissulaire est une discipline récente aux enjeux ambitieux et prometteurs : la régénération de tissus ou d'organes lésés voire détruits en mettant à profit des connaissances et compétences dans différents domaines à l'interface de la chimie et de la biologie. Pour répondre à la demande d'alternatives aux techniques chirurgicales actuelles de réparation du ligament antérieur croisé, nous avons décidé d'appliquer l'ingénierie tissulaire à ce tissu en associant matrices en polymères dégradables et cellules souches mésenchymateuses (CSM). Dans un premier temps, nous avons donc travaillé à la synthèse de polymères adaptés à l'application en cherchant à mettre l'accent sur l'obtention de propriétés élastiques. De nouveaux élastomères dégradables obtenus par des approches originales de photoréticulation chimique de poly(lactide) (PLA) et de poly(ε-caprolactone) (PCL) par voie nitrène ou thiol-yne ont notamment été développés avec des résultats prometteurs. En parallèle, des copolymères thermoplastiques multiblocs à base de PLA et poloxamine ou poloxamère nous ont permis de mener une étude plus appliquée. Ces copolymères ont en effet montré, en particulier au cours d'une étude de dégradation in vitro de 7 semaines, des propriétés, notamment thermiques et mécaniques, qui en font d'eux des candidats intéressants pour le conception d'une matrice ligamentaire. C'est pourquoi ils ont été utilisés pour la conception de prototypes de matrices de régénération textiles dont les propriétés mécaniques se sont révélées être très proches de celles du ligament. Après avoir démontré l'excellente cytocompatibilité de ces matrices avec des CSM, nous avons finalement mené des expériences de différenciation in vitro de ces CSM et sommes parvenus à favoriser leur orientation vers un phénotype ligamentocytaire, notamment grâce à un procédé de stimulation mécanique cyclique des cellules ensemencées sur les matrices textiles.

La rupture du ligament croisé antérieure (LCA) conduit à une instabilité et à des modifications biomécaniques du genou. Actuellement, les patients présentant une lésion du LCA bénéficient généralement une reconstruction du LCA. L'analyse cinématique quantitative est un outil important pour acquérir une compréhension approfondie de la fonction articulaire du genou normal et pathologique au cours de la locomotion humaine. Ce travail est axé sur l'évaluation in vivo de la cinématique du genou chez les patients avec rupture du LCA, avant et après la reconstruction du LCA au cours de toutes les phases de la marche, en utilisant un nouvel outil d'évaluation 3D, quasi-rigide, en temps réel (KneeKGTM). Dans la première étude, des modifications cinématiques significatives ont été identifiées dans les genoux avec une rupture du LCA. Ces changements cinématiques pourraient mener à des contacts fémoro-tibiaux anormaux du cartilage pendant les activités quotidiennes, représentant potentiellement un mécanisme biomécanique de l'usure des articulations après une lésion du LCA. Dans la seconde étude, l'analyse 3D in vivo du mouvement a révélé que les genoux avec LCA reconstruits améliorent significativement leur extension par rapport aux genoux avec LCA déficient, mais il y avait encore une différence par rapport au groupe témoin sain. Dans le plan axial, le tibia reste en position interne significative par rapport à un groupe témoin, tandis qu'il n'y avait pas de différences significatives en translation antéro-postérieur et dans le plan coronal. Ces changements cinématiques pourraient conduire à une charge anormale dans l'articulation du genou et initier le processus d'atteinte dégénérative cartilagineuse à venir. Toutefois, les données cinématiques post-opératoires ont été collectées 10 mois après la chirurgie, ainsi un suivi plus long serait nécessaire pour évaluer si ces changements cinématiques persistent dans le temps, et leurs effets sur l'articulation / Because of the role of the ACL in knee joint’s biomechanics, it is essential to quantify the kinematics of ACL deficient and ACL reconstructed knee. In-vitro models bare the handicap of limited muscle simulation, while static, one-dimensional testing cannot predict the behavior of these groups of patients under realistic loading conditions. Currently, the most widely accepted method for assessing joint movement patterns is gait analysis. Respectively, 3D motion analysis is necessary to provide high reliability movement analysis. The purpose of the study was in-vivo evaluation of the behavior of the anterior cruciate ligament deficient (ACLD) and anterior cruciate ligament reconstructed (ACLR) knees during walking, using 3D, real-time assessment tool. Significant alterations of joint kinematics in the ACLD knee were revealed in this study by manifesting a higher flexion gait strategy and excessive internal tibial rotation during walking that could result in a more rapid cartilage thinning throughout the knee. In the other hand, even though ACLR knees showed some improvements in sagittal plane compared to ACLD knees, in axial plane there still exists difference compared to healthy control knees. These kinematic changes could lead to abnormal loading in knee joint and initiate the process for future chondral degeneration. However, the post-operative kinematic data were collected 10 months after surgery, so a longer follow-up is needed to evaluate if these kinematic changes persist in time, and their effects in joint degeneration

L'ingénierie tissulaire est une discipline récente aux enjeux ambitieux et prometteurs : la régénération de tissus ou d'organes lésés voire détruits en mettant à profit des connaissances et compétences dans différents domaines à l'interface de la chimie et de la biologie. Pour répondre à la demande d'alternatives aux techniques chirurgicales actuelles de réparation du ligament antérieur croisé, nous avons décidé d'appliquer l'ingénierie tissulaire à ce tissu en associant matrices en polymères dégradables et cellules souches mésenchymateuses (CSM). Dans un premier temps, nous avons donc travaillé à la synthèse de polymères adaptés à l'application en cherchant à mettre l'accent sur l'obtention de propriétés élastiques. De nouveaux élastomères dégradables obtenus par des approches originales de photoréticulation chimique de poly(lactide) (PLA) et de poly(ε-caprolactone) (PCL) par voie nitrène ou thiol-yne ont notamment été développés avec des résultats prometteurs. En parallèle, des copolymères thermoplastiques multiblocs à base de PLA et poloxamine ou poloxamère nous ont permis de mener une étude plus appliquée. Ces copolymères ont en effet montré, en particulier au cours d'une étude de dégradation in vitro de 7 semaines, des propriétés, notamment thermiques et mécaniques, qui en font d'eux des candidats intéressants pour le conception d'une matrice ligamentaire. C'est pourquoi ils ont été utilisés pour la conception de prototypes de matrices de régénération textiles dont les propriétés mécaniques se sont révélées être très proches de celles du ligament. Après avoir démontré l'excellente cytocompatibilité de ces matrices avec des CSM, nous avons finalement mené des expériences de différenciation in vitro de ces CSM et sommes parvenus à favoriser leur orientation vers un phénotype ligamentocytaire, notamment grâce à un procédé de stimulation mécanique cyclique des cellules ensemencées sur les matrices textiles. / Tissue engineering is a recent discipline with ambitious and promising stakes: the regeneration of wounded or destroyed tissues or organs by taking advantage of knowledge and skills in various fields at the interface of chemistry and biology. In order to meet the need for alternatives to current surgical techniques of anterior cruciate ligament repair, we decided to apply the tissue engineering approach to this tissue by associating degradable polymer scaffolds and mesenchymal stem cells (MSCs). At first we worked on the synthesis of biodegradable polymers suitable for the application and focused on getting elastic properties. New degradable elastomers obtained by chemical photocrosslinking of poly(lactide) (PLA) and poly(ε-caprolactone) (PCL) were developed by following nitrene or thiol-yne strategies and yielded promising results. In parallel, a more in depth and practical study was performed with PLA based thermoplastic multiblock copolymers embedding poloxamer or poloxamine. These copolymers exhibited properties that make them attractive candidates for the design of ligament regeneration scaffolds, and especially their thermal and mechanical properties during a 7 week in vitro degradation test. That is why they were used to design prototypes of textile scaffolds whose mechanical properties were found to be very close to the ligament's ones. After demonstrating the excellent cytocompatibility of these scaffolds with MSCs, we finally carried out in vitro differentiation experiments on these MSCs and managed to induce their orientation towards a ligamentocyte phenotype, particularly through a process of cyclic mechanical stimulation of cells seeded on the textile scaffolds.

L’objectif général du mémoire est de développer un protocole d’évaluation de l’impact d’une orthèse optimisée sur la biomécanique intra-articulaire afin de prévenir une re déchirure du LCA lors du retour au jeu. La rupture du ligament croisé antérieur (LCA) est l’une des blessures les plus fréquentes au genou. Une déchirure de LCA implique généralement à court terme une reconstruction chirurgicale suivie d’une réadaptation d’au moins 6 mois avant de considérer un retour au jeu. Dans la population pédiatrique, jusqu’à un patient sur quatre subira une rupture du greffon au moment du retour au jeu. Cela a un impact catastrophique chez les jeunes athlètes qui abandonnent souvent le sport et développent une gonarthrose à plus long terme. La littérature est contradictoire concernant la prescription et l’utilisation d’une orthèse fonctionnelle lors du retour au jeu pour prévenir la déchirure du greffon chez les athlètes à haut risque. Une orthèse optimisée pédiatrique de genou pourrait s’avérer une avenue innovante afin de réduire le taux de re-déchirures chez cette population à risque. Pour répondre à l’objectif général, deux objectifs spécifiques ont été déterminés: 1) Développer une revue systématique pour évaluer l’utilisation d’orthèses fonctionnelles lors du retour au jeu et leur efficacité dans la prévention des re blessures, 2) Évaluer l’effet du port d’une orthèse optimisée lors de la réalisation de mouvements athlétiques. Cet objectif s’articule suivant deux sous objectifs : 2.1 Mettre au point un protocole d’évaluation, 2.2 évaluer l’impact du port de l’orthèse sur l’alignement articulaire du genou. À cet effet, nous avons publié une revue systématique qui a permis de démontrer une tendance quant à l’effet préventif de l’utilisation d’une orthèse fonctionnelle lors du retour au jeu sur le taux de re-déchirures chez certaines populations, dont les adolescents de moins de 17 ans. Un protocole expérimental a été développé afin d’évaluer l’effet d’une orthèse pédiatrique optimisée du genou sur la biomécanique 3D lors de gestes sportifs. / The overall objective of the thesis is to develop a protocol to evaluate the impact of an optimized knee brace on intra-articular biomechanics to prevent ACL reinjury when returning to play. An anterior cruciate ligament (ACL) rupture is one of the most common knee injuries. An ACL tear usually involves short-term surgical reconstruction followed by at least six months of rehabilitation before considering a return to play. Nearly one in four patients will experience a graft rupture upon return to play. This injury has a catastrophic impact on young athletes who often drop out of sport and develop knee osteoarthritis in the longer term, thus disrupting their quality of life. The problem lies in the prevention of ACL injury when identifying patients at high risk. The prescription and use of a functional knee brace upon return to play to prevent graft tear in high-risk athletes is inconsistent in the literature. An optimized pediatric knee brace may be an innovative avenue to reduce the rate of re-tears in at-risk populations. In addition to the main objective, two more specific goals were determined to answer the general objective. First, the development of a systematic review to evaluate the effect of wearing an optimized knee brace when return to play and their effectiveness in preventing reinjury. Second, to evaluate the effect of wearing a knee brace when performing athletic movement. This objective is structures according to two sub-objectives: 2.1 Develop an evaluation protocol, 2.2 evaluate the impact of wearing the knee brace on the biomechanics of the knee. To address the research objectives, we have published a systematic review that demonstrated a trend in the preventive effect of the use of a knee brace when returning to play on the reinjury rate in certain populations, including adolescents (< 17 years old). An experimental protocol has been developed to evaluate the effect of an optimized pediatric knee orthosis on 3D biomechanics during sport movements.

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