L'os, tissu conjonctif minéralisé, assure les fonctions de protection, de support et de motilité. De nombreuses pathologies osseuses requièrent l'utilisation d'implants naturels ou synthétiques et le vieillissement de la population accroît cette demande. La thèse a eu pour objet d'évaluer les potentiels de reconstruction osseuse de matériaux préparés à partir de solutions de collagène de concentration moyenne (5mg/mL) et haute (40mg/mL). Ces matériaux fibrillaires, simple à façonner, ont été caractérisés par microscopie photonique et électronique et comparés aux éponges de collagène déjà utilisées en thérapeutique. En culture in vitro à long terme, des ostéoblastes humains, primaires ou transformés, se multiplient et s'organisent en une monocouche épithélioïde sur les matrices à 5mg/mL, ou en cellules plates et allongées sur les matrices à 40mg/mL. La minéralisation des matrices, en conditions standard, n'a lieu qu'en présence d'ostéoblastes tandis que les éponges minéralisent de façon spontanée. Dans un défaut crânien engendré chez le rat, les matrices ont permit son comblement à plus de 80%. Elles sont colonisées par les ostéoprogéniteurs qui se différencient et synthétisent de l'os minéralisé ; leur concentration module leur dégradation. En contact en 3D avec le réseau fibrillaire les otéoblastes primaires apparaissent dendritiques et s'organisent en syncytium, reliés par des jonctions communicantes. Cette transition morphologique est décrite in vitro par une approche combinée de microscopies. Ces travaux valident l'utilité des matrices fibrillaires de collagène pour l'ingénierie de l'os. Ils confirment également l'intérêt que peut tirer la recherche fondamentale de disposer de matrices extracellulaires modèles.

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.

Introduction : Ce programme de recherche visait à étudier l'impact d'une intervention de 8 mois entrainant une perte de poids induite par l'activité physique et la nutrition sur la santé osseuse chez des adolescents obèses. L'objectif global de cette thèse était d'examiner l'impact d'une intervention de perte de poids sur les paramètres osseux chez les adolescents obèses.Méthode : Soixante-cinq adolescents ont été recrutés : 31 (6 garçons) obèses pour le groupe intervention (âge : 13,61 (1,27)), 23 adolescents de poids normal (NW) (âge : 15,90 (0,43)) et 11 (4 hommes) adolescents obèses pour le groupe témoin (14.02 (1.39)). Le critère d’évaluation principal concernait la densitométrie osseuse par DXA (corps entier, colonne vertébrale, hanche). Les critères d'évaluation secondaires comprenaient la composition corporelle (DXA), la géométrie et la résistance des os (analyse structurelle de la hanche) et des biomarqueurs osseux (propeptide N-terminal (P1NP) procollagène de type 1, estradiol C-télopeptide (CTx), leptine). Les données ont été collectées au départ à 4 mois et à 8 mois. Les données ont été ajustées en fonction des changements de poids corporel, de masse grasse et de masse maigre.Résultats : Comparés au groupe contrôle de poids normal, les adolescents obèses présentaient une densité osseuse non ajustée et ajustée inférieure. Suite à la perte de poids (~ -11%), les adolescents obèses ont augmentés leur densité osseuse au corps entier (% Ob 3,22 (3,58) p <0,001) et à la colonne lombaire (% Ob 6,27 (12,45) p = 0,014). Cependant, ces valeurs restent inférieures à celles de leurs homologues contrôle de poids normal après ajustement aux variations de poids corporel. Après l’intervention entrainant une perte de poids, les estimations du risque de fracture sont restées élevée, en particulier au niveau du col étroit (buckling ratio (BR) 8,25 (2,00) p = 0,005) et ce malgré des adaptations positives de certaines propriétés géométriques (i.e. NN CSA, NN Z). De plus, les modifications de l'accrétion osseuse chez les adolescents obèses suivent une adaptation de type androgènes, cela est démontrée par une expansion périostée (% NW ∆ 0,69 (3,71); Ob ∆ 1,67 (9,11)) et une résorption endocorticale (% NW ∆ -2,11 (11,79); Ob ∆ 4,42 (10,56)). Dans le groupe intervention, les différences au regard des marqueurs osseux favorisent la formation osseuse au cours des 4 premiers mois alors que par la suite la résorption osseuse est favorisée.Conclusion : La fragilité osseuse chez les adolescents obèses a été démontrée par (1) une densité minérale osseuse inférieure corps entier et régionale pré et post-intervention par rapport aux contrôles normo-pondérés, (2) un indice de risque de fracture élevé après intervention au niveau du cou étroit, (3) des biomarqueurs osseux démontrant des z-scores, indices de découplage (uncoupling indices) et représentations qualitatives de la distribution du remodelage osseux inférieures. Les résultats de cette thèse contribuent aux recherches futures sur les liens entre os et obésité à l’adolescence. / Introduction: This program of research targeted the impact of an 8-month weight loss intervention induced by physical activity and nutrition on bone health in adolescents with obesity. The overall aim of this thesis was to examine the impact of a lifestyle weight loss intervention on the bone parameters in adolescents with obesity. Method: Sixty-five adolescents were recruited: 31 (6 males) adolescents with obesity in the weight loss intervention (age: 13.61 (1.27)), 23 normal weight (NW) adolescents (age: 15.90 (0.43)) and 11 (4 males) adolescents with obesity in another control group (14.02 (1.39)). Primary outcomes targeted bone densitometry (whole body, spine, hip DXA). Secondary outcomes included body composition, bone geometry and strength (hip structural analysis) and bone biomarkers (procollagen type 1 N-terminal propeptide (P1NP), C telopeptide (CTx) estradiol, leptin). Data were collected at baseline, 4 months and 8 months. Data were adjusted for body weight, fat mass and lean mass changes.Results: Compared with the NW controls, adolescents with obesity displayed lower unadjusted and adjusted bone density. Following successful weight loss (~ -11%) adolescents with obesity increased whole body (%Ob ∆ 3.22 (3.58) p<0.001) and lumbar spine (%Ob ∆ 6.27 (12.45) p=0.014) BMD. However, values remain lower than their NW peers after adjustment to body weight changes. After the weight loss intervention, compromised estimates of fracture risk remained especially at the narrow neck (buckling ratio (BR) 8.25 (2.00) p=0.005), despite positive adaptations of some geometric properties (i.e. NN CSA, NN Z). Also, bone accretion changes in adolescents with obesity followed an androgen-like adaptation demonstrated by periosteal expansion (% NW ∆ 0.69 (3.71); Ob ∆ 1.67 (9.11)) and endocortical resorption (% NW ∆ -2.11 (11.79); Ob ∆ 4.42 (10.56)). Among the intervention group, differences in bone markers favoured formation during the first 4 months and favoured resorption in the remaining months.Conclusion: Bone fragility in adolescents with obesity was demonstrated by (1) baseline and post intervention lower whole body and regional BMD than NW controls, (2) post-intervention higher fracture risk index at the narrow neck, (3) bone biomarkers showing reduced z-scores, uncoupling indices and qualitative representations of the distribution of bone remodeling. Future investigations of links between bone and obesity during adolescence can be well informed by the results of this thesis.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés aux phénomènes de transport au sein du réseau lacuno-canaliculaire (RLC) et de l'ostéon dans le tissu osseux cortical. Pour étudier la mécanotransduction ostéocytaire amenant au remodelage osseux, nous avons développé un modèle à trois échelles où sont pris en : l'électrcompte ostatique (modélisée par l'équation de Poisson Boltzmann), l'écoulement du fluide (représenté textit{via} une équation de Stokes modifiée et la conservation de la masse fluide) et le transport ionique (régi par l'équation de Nernst-Planck). L'étude de la distribution du potentiel électrique, a mis en exergue l'importance des double-couches électriques au voisinage des parois chargées des pores. Ces double-couches électriques, ainsi que la composition chimique du fluide donnent lieu à des phénomènes d'osmose et d'électroosmose intervenant dans l'écoulement du fluide interstitiel, et influençant la diffusion efficace des ions dans les pores. L'étude a démarré à l'échelle du pore canaliculaire pour être propagée à l'échelle du canalicule puis de l'ostéon, en utilisant une procédure d'homogénéisation périodique asymptotique. Une étude paramétrique nous a permis de cibler les paramètres agissant sur les phénomènes de transport et pouvant faire réagir les ostéocytes. Il est ressorti de cette étude que les effets électro-chimiques jouent rôle important. Nous avons donc choisi de nous focaliser sur la chimie et plus particulièrement sur les effets des flux ioniques physiologiques sur les ostéocytes dans le RLC. Des expériences, mises en place pour étayer ces aspects ont souligné l'importance des échanges chimiques entre les cellules et le fluide qui les entoure. Finalement, nous avons montré que les phénomènes de transports ayant lieu dans le RLC et dans l'ostéon interagissent les uns les autres, parachevant ainsi la description à trois échelles du tissu cortical / Transport phenomena appearing within the cortical bone lacuno-canalicular network (LCN) and the osteon were the objective of this study. We developped a three-scale model to investigate the osteocyte mechanotranduction which is at the origin of the bone remodeling process. This model took into account three physical phenomena : the electrostatics (through the Poisson-Boltzman equation), the interstitial fluid flow (modeled by a modified Stokes equation) and the ionic transport (governed by a Nernst-Planck equation). Analysis of the electrical potential distribution highlighted the importance of the electrical double layers close to the pore charged surface. These electrical double layers, as well as the interstitial fluid chemical composition, induce osmotic and electroosmotic fluid flows and affect the ionic effective diffusion within the pores. Using a periodic asymptotic homogeneisation procedure, the model at the canalicular pore scale was upscaled at the canalicular scale and then at the osteonal scale. A parametric study pointed out the relevant parameters acting on the transport phenomena and possibly affecting osteocyte mecanosensitivity. Our results emphasized the importance of the electro-chemical effects. We thus focused on the chemistry and more especially on the effects of the physiological ionic fluxes on the osteocyte. In vitro experiments and numrical simulations were performed to elucidate these questions. Our results underlined the importance of the chemical exchanges between the osteocyte and the surrounding fluid. Finally, we showed that fluid flow and chemical transport occuring within the LCN and the osteon interact with each other, thus achieving a three-scale description of the transport phenomena in the osteon

Le ranelate de strontium (RS) est un traitement anti-ostéoporotique agissant sur la formation osseuse via les ostéoblastes et la résorption osseuse via les ostéoclastes grâce au Calcium Sensing Receptor (CaSR). L’activité physique (EXE) est bien connue pour améliorer les propriétés osseuses. Dans ce travail, nous avons étudié ① l’effet de différentes activités physiques (tapis roulant et impact). Nous avons observé que 10 impacts par jour pendant 8 semaines à 45cm de hauteur ont eu des effets bénéfiques sur l’os (paramètres de microarchitecture et biomécanique, marqueurs du remodelage). ② L’étude du RS et de l’EXE sur l’os de rate ovariectomisée a montré que le RS a des effets comparables à l’EXE et que le RS+EXE ont des effets cumulatifs sur l’os (paramètres de microarchitecture et biomécanique, marqueurs du remodelage). ③ Enfin, une étude in vivo sur des MLO-Y4 a montré la présence des CaSR sur la membrane des ostéocytes et leur nombre est modulé en fonction de la concentration en RS. De plus, le RS a un effet sur la différenciation des CSM lors d’une différenciation ostéogénique en favorisant la différenciation ostéocytaire et elle est modulée par la concentration en RS. En conclusion, ce travail a démontré l’importance d’une pratique d’un exercice physique et du traitement du RS contre l’ostéoporose : maintien de la balance du remodelage osseux du côté de la formation. L’effet cumulatif du RS+EXE s’explique par le fait que le RS agit sur les ostéoblastes, ostéocytes et ostéoclastes via les CaSR et l’EXE sur les mécanorécepteurs des ostéocytes. / Strontium ranelate (SR) is an anti-osteoroporotic treatment acting on bone formation via osteoblasts and bone resorption via osteoclasts thanks to Calcium Sensing Receptor (CaSR). Physical activity is well known to improve bone properties. In this work, we studied ① different physical acticities (treadmill and impact). We observed that 10 impacts per day during 8 weeks from 45cm of height had beneficial effects on bone (microarchitecture and biomechanical parameters, bone remodeling markers). ② The study of SR and EXE effects on bone ovariectomized rats showed that RS had similar effects to EXE and SR+EXE had cumulative effects on bone (microarchitecture and biomechanical parameters, bone remodeling markers). ③ Finally, an in vivo study on MLO-Y4 showed CaSR presence on osteocyte with their number depending on SR concentration. Moreover, RS had positive effects on CSM differentiation in favor of osteocyte differentiation and it is modulated by SR concentration. In conclusion, this work has demonstrated the importance of taking physical exercise as well as SR treatment for osteoporosis: maintaining the bone remodeling in favor of bone formation. The cumulative effect of SR+EXE is explained by the fact the SR acts on osteoblasts, osteocytes and osteoclasts via CaSR and the EXE on osteocyte mechanoreceptors.

L'interleukine-17A (IL-17A) et le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-α) sont des cytokines pro-inflammatoires impliquées dans la pathogénèse de plusieurs maladies articulaires. Au cours de la polyarthrite rhumatoïde (PR), une augmentation de la destruction osseuse ainsi qu'un defaut de réparation sont responsables des dommages articulaires. Cependant au cours de la spondylarthrite ankylosante (AS), une importante ossification ectopique est observée, conduisant à la formation de syndesmophytes, associé à une perte de la masse osseuse systémique. Récemment, l'étude de ces cytokines a conduit à la publication de résultats contradictoires. Notre objectif a donc été d'étudier l'effet de ces deux cytokines sur la différenciation ostéogénique de cellules souches mésenchymateuses humaines isolées (hMSCs) et de fibroblastes de la membrane synoviale (FLS). Tous les modèles de cellules utilisés, ont démontré que l'IL-17A et le TNF-α augmentent de manière synergique l'ostéogénèse. Ceci semble se rapprocher du modèle de l'AS où une formation d'os ectopique est observée dans laquelle l'IL-17A et le TNF-α jouent un rôle majeur. En parallèle, ces deux cytokines stimulent localement les ostéoclastes, entraînant une perte de masse osseuse observée à la fois dans la PR et dans l'ostéoporose. Cibler simultanément l'IL-17A et le TNF-α pourrait conduire à une diminution de l'infiltration de cellules et de la destruction articulaire observée dans la PR et pourrait ainsi réduire les effets des FLS PR sur l'activation de l'ostéoclastogénèse / Interleukin-17A (IL-17A) and tumor necrosis factor alpha (TNF-α) are pro-inflammatory cytokines involved in the pathogenesis of several arthritic diseases. In rheumatoid arthritis (RA), joint damage is a result of an increase in bone destruction and a decrease in bone repair. In contrast, in ankylosing spondylitis (AS), a bone mass loss accompanied by a significant ectopic ossification is observed leading to the formation of syndesmophytes. Recent studies led to contradictory findings regarding the role of IL-17A and TNF-α in arthritic disease. Therefore, our objective was to study the effect of these two cytokines on the osteogenic differentiation of isolated human mesenchymal stem cells (hMSCs) and fibroblasts of the synovial membrane (FLS). In all the cell models used, we demonstrated that Il-17A and TNF α synergistically increase osteogenesis. This seems to approach the model of AS where ectopic bone formation is observed and in which IL-17A and TNF-α both are involved. These cytokines stimulate osteoclasts locally resulting in loss of bone mass observed in both RA and osteoporosis. Thus, targeting IL-17A and TNF-α could lead to a decrease in cell infiltration and joint destruction which is observed in RA and may reduce the effects of RA FLS on the activation of osteoclastogenesis

La consommation d’alcool a des effets sur le tissu osseux. L’alcoolisme est une des causes d’ostéoporose secondaire chez l’homme. Dans ce travail nous avons mené différentes expérimentations chez le rat afin d’étudier les effets d’une consommation chronique d’alcool combinée ou non à un entraînement aérobie sur le tissu osseux. Nous avons montré qu’une faible dose d’alcool administrée pendant une période courte peut avoir un effet positif sur la densité minérale osseuse et l’épaisseur trabéculaire. En revanche, la combinaison activité physique et consommation modérée d’alcool n’a pas d’effet additif sur la potentialisation du tissu osseux. Nous avons également démontré un effet dose de l’alcool indiquant des effets délétères majorés sur la densité minérale osseuse (DMO), la microarchitecture corticale et la résistance osseuse avec des apports croissants (25%, 30% et 35% v/v). La modification de DMO s’accompagne d’un changement de composition corporelle et d’une diminution de la leptine systémique. Cependant, le nombre d’adipocytes augmente dans la moelle osseuse. Nous avons mis en évidence dans ce modèle d’ostéoporose secondaire due à l’alcool une augmentation de l’apoptose des ostéocytes, corrélée à la diminution de la DMO et à l’augmentation de l’adiposité médullaire. Nous avons de plus mis en évidence une incorporation de lipides dans les ostéocytes, incorporation fortement corrélée à l’apoptose de ces cellules. Enfin, nos résultats montrent qu’un exercice physique régulier combiné à une consommation chronique et excessive d’alcool permet de prévenir les effets délétères de l’alcool sur les paramètres osseux (porosité corticale, épaisseur corticale) et limite la diminution de la DMO. Cette diminution est associée à une régulation de l’apoptose des ostéocytes. / Heavy chronic alcohol consumption has deleterious effects on bone tissue. It is one of the major causes of secondary osteoporosis in men. In this work, we draw several experimentations to assess the effects of chronic alcohol consumption on bone, combined or not to an aerobic training in the rat. We showed that light to moderate chronic alcohol consumption during a short time lead to an increase of bone mineral density (BMD) and trabecular thickness, whith no additive effects of physical exercise on bone tissue. When the alcohol doses were increased, we showed deleterious effects on BMD, microarchitecture, bone resistance with a dose effect with increasing alcohol doses (25%, 30% and 35% v/v): the more alcohol was concentrated and the more the bone parameters were decreased. The BMD decrease was associated with a change in body composition, and with a decrease in serum leptin. However, the number of lipid droplets in the bone marrow was increased dramatically. We demonstrated that there was a huge increase in osteocyte apoptosis with alcohol (35% v/v) in this alcohol-induced osteoporosis model, which was correlated with BMD and bone marrow adiposity. We have also shown that there was lipid incorporation in bone micro vessels and in osteocytes, which was correlated with osteocyte apoptosis. Lastly, we showed that when regular exercise was associated with heavy chronic alcohol consumption, the bone parameters were normal (trabecular, cortical thickness, femur length) and the BMD was less decreased compared to alcohol-fed and sedentary rats. These effects were associated with a regulation of osteocyte apoptosis.

Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés aux phénomènes de transport au sein du réseau lacuno-canaliculaire (RLC) et de l'ostéon dans le tissu osseux cortical. Pour étudier la mécanotransduction ostéocytaire amenant au remodelage osseux, nous avons développé un modèle à trois échelles où sont pris en : l'électrcompte ostatique (modélisée par l'équation de Poisson Boltzmann), l'écoulement du fluide (représenté textit{via} une équation de Stokes modifiée et la conservation de la masse fluide) et le transport ionique (régi par l'équation de Nernst-Planck). L'étude de la distribution du potentiel électrique, a mis en exergue l'importance des double-couches électriques au voisinage des parois chargées des pores. Ces double-couches électriques, ainsi que la composition chimique du fluide donnent lieu à des phénomènes d'osmose et d'électroosmose intervenant dans l'écoulement du fluide interstitiel, et influençant la diffusion efficace des ions dans les pores. L'étude a démarré à l'échelle du pore canaliculaire pour être propagée à l'échelle du canalicule puis de l'ostéon, en utilisant une procédure d'homogénéisation périodique asymptotique. Une étude paramétrique nous a permis de cibler les paramètres agissant sur les phénomènes de transport et pouvant faire réagir les ostéocytes. Il est ressorti de cette étude que les effets électro-chimiques jouent rôle important. Nous avons donc choisi de nous focaliser sur la chimie et plus particulièrement sur les effets des flux ioniques physiologiques sur les ostéocytes dans le RLC. Des expériences, mises en place pour étayer ces aspects ont souligné l'importance des échanges chimiques entre les cellules et le fluide qui les entoure. Finalement, nous avons montré que les phénomènes de transports ayant lieu dans le RLC et dans l'ostéon interagissent les uns les autres, parachevant ainsi la description à trois échelles du tissu cortical

La consommation d'alcool a des effets sur le tissu osseux. L'alcoolisme est une des causes d'ostéoporose secondaire chez l'homme. Dans ce travail nous avons mené différentes expérimentations chez le rat afin d'étudier les effets d'une consommation chronique d'alcool combinée ou non à un entraînement aérobie sur le tissu osseux. Nous avons montré qu'une faible dose d'alcool administrée pendant une période courte peut avoir un effet positif sur la densité minérale osseuse et l'épaisseur trabéculaire. En revanche, la combinaison activité physique et consommation modérée d'alcool n'a pas d'effet additif sur la potentialisation du tissu osseux. Nous avons également démontré un effet dose de l'alcool indiquant des effets délétères majorés sur la densité minérale osseuse (DMO), la microarchitecture corticale et la résistance osseuse avec des apports croissants (25%, 30% et 35% v/v). La modification de DMO s'accompagne d'un changement de composition corporelle et d'une diminution de la leptine systémique. Cependant, le nombre d'adipocytes augmente dans la moelle osseuse. Nous avons mis en évidence dans ce modèle d'ostéoporose secondaire due à l'alcool une augmentation de l'apoptose des ostéocytes, corrélée à la diminution de la DMO et à l'augmentation de l'adiposité médullaire. Nous avons de plus mis en évidence une incorporation de lipides dans les ostéocytes, incorporation fortement corrélée à l'apoptose de ces cellules. Enfin, nos résultats montrent qu'un exercice physique régulier combiné à une consommation chronique et excessive d'alcool permet de prévenir les effets délétères de l'alcool sur les paramètres osseux (porosité corticale, épaisseur corticale) et limite la diminution de la DMO. Cette diminution est associée à une régulation de l'apoptose des ostéocytes.