L'ostéoporose est la maladie métabolique la plus fréquente qui touche l'os. Plusieurs substances actives sont utilisées pour le traitement pharmacologique de cette maladie. Cependant, ce sont les bisphosphonates et surtout l'alendronate de sodium, qui sont prescrits en première intention. L'alendronate de sodium est, en effet, très efficace mais présente une faible absorption quand il est administré par la voie orale. Sa solubilité dans l'eau est de 20 mg/ml. Il présente en outre une faible biodisponibilité (de 0,6 à 0,7%). Cette substance active est aussi à l'origine d'effets indésirables d'irritation au niveau de l'oesophage, l'estomac et l'intestin. Ces effets sont dus à un contact local des cristaux de la substance active avec la muqueuse. L'approche d'encapsulation des substances actives dans des particules polymériques a permis d'obtenir plusieurs bénéfices thérapeutiques comme l'amélioration de la biodisponibilité et la diminution des effets indésirables. Dans la première partie de notre étude, on a réalisé l'encapsulation de l'alendronate dans des nanoparticules à base de poly-epsilon-caprolactone en utilisant la nanoprécipitation et l'émulsion double. Les nanoparticules obtenues ont une forme sphérique et une taille comprise entre 200 et 450 nm. Le meilleur pourcentage d'encapsulation a été de 34% et il a été obtenu avec la technique d'émulsion double. Ceci confirme que cette méthode est plus adaptée à l'encapsulation des molécules hydrophiles. Le profil de libération in vitro a montré deux phases : une première phase de libération relativement rapide et une deuxième phase beaucoup plus lente. L'analyse par modélisation mathématique a montré que la libération in vitro de l'alendronate se fait par diffusion et relâchement des chaines polymériques / Osteoporosis is the most frequent metabolic disease that affects bone. Many actives have been used as pharmacological treatment of this disease. However, bisphosphonates, especially, alendronate sodium, are indicated as first line regimen. Alendronate is highly efficient but presents low absorption after oral administration. Its solubility in water is 20 mg/ml. It has also poor bioavailability (0.6-0.7%). In addition, this active could lead to many side effects, which are mainly related to the esophagus, the stomach and the intestine. Such effects are linked to a local contact of drug crystals with the mucosa. Encapsulation of active molecules allowed the obtaining of many advantages over conventional pharmaceutical forms such as, bioavailability and tolerance enhancement. In the first part of our study, we managed to encapsulate alendronate sodium in poly-epsilon-caprolactone nanoparticles via two techniques: nanoprecipitation and double emulsion. Obtained nanoparticles presented a spherical form. Their size ranged between 200 and 450 nm. The highest encapsulation efficiency value was 34% and was obtained via double emulsion technique. This confirms that double emulsion is more suitable for hydrophilic drugs encapsulation. In vitro release profile showed two phases: first phase of burst release and a second more prolonged phase. Mathematical modeling showed that alendronate in vitro release occurs by drug diffusion and polymer chain relaxation. In the second experimental part, we managed to find a more interesting alternative. In fact, we opted for the use of chitosan which is a natural hydrophilic polymer. One of the obtained advantages is the avoidance of organic solvents use. In addition, this approach allowed the enhancement of encapsulation efficiency as this value increased to 70%. The used technique is ionic gelation. It is a simple encapsulation technique that is based on the transformation of a dissolved polymer to a gel-like state

La Cathepsine K est parmi la plus efficace des collagénases de mammifère pour cliver la triple hélice de collagène de type-1. Nous avons développé une série d'azanitriles, (CKI-8 and CKI-13) inhibiteurs de cathepsine K. CKI-8 (un isomère de CKI-13) et CKI-13 ne sont pas toxiques sur les osteoblastes Saos-2 et les cellules RAW 264.7 jusqu' à une concentration de 1000 nM, tandis qu'ils ne le sont pas jusqu'à une concentration de 100 nM sur les osteoclastes. CKI-8 n'affecte pas l'activité de la phosphatase alkaline ainsi que la minéralisation induite par les Saos-2 et par les osteoblastes primaires. CKI-13 diminue de 35 % la minéralisation induite par les Saos-2 tandis qu'il n'affecte pas la minéralisation induite par les osteoblastes primaires. L'addition de CKI-13 diminue l'activité de la phosphatase alkaline d'environ 20% (Saos-2) et de 40 % (osteoblastes primaires). La résorption osseuse sur des tranches d'os d'origine bovine est diminuée avec 10 nM de CKI-13, 100 nM de CKI- 8 et 100 nM d'inhibiteur commercial E64. CKI-8 et CKI-13 diminuent la mobilité des osteoclastes. Nous avons développé un dosage d'hydrolyse de PPi par la phosphatase alkaline au moyen de l'IR, ayant l'avantage de fonctionner sur des vésicules matricielles et des cellules avec des substrats naturels à un pH physiologique. La bande de PPi localisée à 1107 cm-1 (∑= 2158 ± 211 M-1.cm-1) et celles de Pi localisées à 1076 cm-1 (∑= 1346 ± 116 M-1.cm- 1) et à 991 cm-1 (∑= 493 ± 49 M-1.cm-1) ont servis à mesurer les concentrations du substrat et du produit / Cathepsin K is among the most potent mammalian collagenase, capable of cleaving the triple helix in type-I collagen. We developed a series of azanitriles (CKI-8 and CKI-13) which are inhibitors of cathepsin K. CKI-8 (an isomer of CKI-13) and CKI-13 did not induce significant toxicity on osteoblasts Saos-2 and RAW 264.7 cells up to 1000 nM, while they were not toxic on mature osteoclasts up to 100 nM. Commercial E64 inhibitor was not toxic in primary osteoclast cells up to 1000 nM. CKI-8 did not affect alkaline phosphatase activity as well the mineralization induced by Saos-2 cells and by primary osteoblasts. CKI-13 decreased by 35% the mineralization induced by Saos-2 cells while it did not on mineralization induced by primary osteoblasts. Addition of CKI-13 decreased alkaline phosphatase activity by around 20% (Saos-2 cells) and 45% (primary osteoblasts). Bone resorption on bovine slices decreased significantly with 10 nM of CKI-13, with 100 nM of CKI-8 and commercial inhibitor E64. Our findings indicated that CKI-8 and CKI-13 inhibited bone resorption and affected the mobility of osteoclast. To monitor directly the PPi hydrolytic activity by alkaline phosphatase, we developed an infrared (IR) assay taking the advantage to use natural substrate under physiological pH in matrix vesicles and in living cells. PPi band located at 1107 cm-1 (∑= 2158 ± 211 M-1.cm-1) and Pi bands located at 1076 cm-1 (∑= 1346 ± 116 M-1.cm-1) and at 991 cm-1 (∑= 493 ± 49 M-1.cm-1) served to measure the substrate and the product concentrations

L'ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une dégradation de la qualité osseuse conduisant à une majoration du risque fracturaire. Le seul examen permettant actuellement de prédire ce risque est l'ostéodensitométrie à double rayonnement X (DXA) par la mesure de la densité minérale osseuse (DMO). Cependant, la DMO seule ne rend compte que de 40 à 70% de la variation de la résistance mécanique osseuse. Les 3 buts ce travail étaient : 1/ d'évaluer les rôles respectifs de la microarchitecture corticale et trabéculaire dans le comportement mécanique vertébral, 2/ d'évaluer le rôle propre de l'hétérogénéité de la microarchitecture trabéculaire et 3/ de décrire le comportement mécanique vertébral post-fracturaire et d'en identifier les déterminants. Nous montrons que la mesure de l'épaisseur de la corticale antérieure et de son rayon de courbure ainsi que la détermination de la variation régionale de la microarchitecture trabéculaire améliorent significativement la prédiction du risque fracturaire. Il existe une variation marquée du comportement mécanique vertébral après une fracture de grade 1 de Genant. La microarchitecture osseuse, et non la masse osseuse, explique les propriétés mécaniques vertébrales plastiques et élastiques post-fracturaires.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

L'ostéoporose est une maladie osseuse caractérisée par une perte importante de la masse osseuse et des altérations de la microarchitecture du tissu osseux. Aujourd'hui, en routine clinique, le diagnostic de l'ostéoporose est basé principalement sur une mesure de la densité minérale osseuse qui n'est pas suffisante, car elle doit être accompagnée par une analyse de la qualité de la microarchitecture osseuse. Les travaux présentés dans cette thèse concernent la caractérisation des images de radiographies osseuses pour le diagnostic précoce de l'ostéoporose. Pour ce faire, afin de mieux caractériser la texture osseuse sur radiographie, nous avons introduit une nouvelle technique de prétraitement des données pour réduire les redondances et éliminer le bruit issu des capteurs d'acquisition. Pour la caractérisation, nous avons proposé une nouvelle technique d'analyse inspirée des motifs binaires locaux (Local Binary Patterns, LBP). Le nouveau descripteur, appelé 1DLBP (One Dimensional Local Binary Patterns) s'applique de manière unidimensionnelle. Pour tester l'efficacité de notre approche, nous avons réalisé deux études cliniques où le nouveau descripteur LBP1D est comparé à la méthode classique, LBP afin de classifier des patients ostéoporotiques et des sujets sains. Les pourcentages de classification obtenus ont été améliorés de 72% avec la méthode classique LBP à 91% avec le nouveau descripteur 1DLBP.

L'ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une perte de la qualité osseuse qui entraîne un risque de fracture accru, notamment au niveau vertébral. Des modèles en éléments finis basés sur la tomodensitométrie permettent d'estimer la résistance vertébrale, et donc le risque de fracture, mais leur utilisation en routine clinique est limitée par le coût et l'irradiation engendrée par la tomodensitométrie. L'estimation la résistance vertébrale à partir d'un modèle en éléments finis basés sur l'imagerie basse dose, telle que l'absorptiométrie biphotonique à rayons X, ou la stéréo-radiographie EOS en double énergie, permettrait une utilisation en routine clinique. Cette thèse contribue au développement de la modélisation à partir de l'imagerie basse dose pour la prédiction du risque de fracture. Un modèle en éléments finis de résistance vertébrale y est évalué par rapport à un modèle basé sur la tomodensitométrie, et une étude de sensibilité identifie les facteurs importants du modèle sont analysés. Des méthodes de maillage hexaédrique morpho-réalistes à partir de la reconstruction 3D, et d'estimation de la distribution de densité à partir d'image 2D de densité y sont développées. De plus, profitant des possibilités du système EOS qui permet de radiographier le patient de la tête aux pieds, une méthode préliminaire est proposée pour estimer l'effort exercé sur les vertèbres in vivo. Nous espérons que nos méthodes pourront être utilisées très prochainement in vivo, et contribuer à l'estimation du risque de fracture ostéoporotique, et à la prise en charge des patients à risque de fracture.

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’ostéoporose est une maladie osseuse caractérisée par une perte importante de la masse osseuse et des altérations de la microarchitecture du tissu osseux. Aujourd’hui, en routine clinique, le diagnostic de l’ostéoporose est basé principalement sur une mesure de la densité minérale osseuse qui n’est pas suffisante, car elle doit être accompagnée par une analyse de la qualité de la microarchitecture osseuse. Les travaux présentés dans cette thèse concernent la caractérisation des images de radiographies osseuses pour le diagnostic précoce de l’ostéoporose. Pour ce faire, afin de mieux caractériser la texture osseuse sur radiographie, nous avons introduit une nouvelle technique de prétraitement des données pour réduire les redondances et éliminer le bruit issu des capteurs d’acquisition. Pour la caractérisation, nous avons proposé une nouvelle technique d’analyse inspirée des motifs binaires locaux (Local Binary Patterns, LBP). Le nouveau descripteur, appelé 1DLBP (One Dimensional Local Binary Patterns) s’applique de manière unidimensionnelle. Pour tester l’efficacité de notre approche, nous avons réalisé deux études cliniques où le nouveau descripteur LBP1D est comparé à la méthode classique, LBP afin de classifier des patients ostéoporotiques et des sujets sains. Les pourcentages de classification obtenus ont été améliorés de 72% avec la méthode classique LBP à 91% avec le nouveau descripteur 1DLBP. / Osteoporosis is characterized by a significant loss of bone mass and alterations in the microarchitecture of bone tissue. Actually, in clinical routine the diagnosis of osteoporosis is based mainly on measurement of bone mineral density. It turned out that this is not sufficient, it must be accompanied by an analysis of the microarchitecture of the bone to increase the efficiency of diagnosis. This thesis deals with the characterization of images of bone radiographs for the early diagnosis of osteoporosis. To do this, in order to better characterize the texture of bone radiography, we have introduced a new technique for data preprocessing to reduce redundancy and decrease the effect of the noise resulted by the acquisition sensors. For characterization, we propose a new analysis method inspired from the local binary patterns (LBP). The new descriptor called 1DLBP (One Dimensional Local Binary Patterns) applies in one-dimensionally manner. To evaluate the effectiveness of our approach, we conducted two clinical studies where the new descriptor (1DLBP) is compared with the conventional method (LBP) to classify osteoporotic patients and healthy subjects. The classification scores obtained were enhanced by 72% with the conventional LBP descriptor to 91% with 1DLBP descriptor.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Le rôle de la microstructure trabéculaire et corticale dans la résistance osseuse et le risque de fracture est bien documenté mais son déterminisme génétique n’a pas encore été étudié. Pour savoir si la microarchitecture osseuse et le métabolisme osseux ont un déterminisme héréditaire, une étude épidémiologique transversale (étude MODAM) a été menée pour évaluer la ressemblance familiale de la microarchitecture osseuse chez les femmes ménopausées et leurs filles non ménopausées en utilisant la tomodensitométrie quantitative périphérique haute résolution (HR-pQCT). Nous avons constaté que les filles des femmes ayant subi une fracture ont une densité osseuse volumétrique totale (vBMD) plus faible, des corticales amincies, et une altération de la microarchitecture osseuse trabéculaire au niveau du radius distal et du tibia comparativement aux filles dont les mères n’ont pas eu de fracture. Une autre étude épidémiologique transversale (étude MINOS) a été menée pour évaluer la corrélation de la densité minérale osseuse (DMO), de la taille des os, des marqueurs du remodelage osseux (BTM) et des hormones de régulation du remodelage osseux dans des paires de frères et des paires d'hommes non apparentés, appariés pour l'âge, le poids et la taille. Nous avons constaté que la taille des os, la DMO à certains sites du squelette et la plupart des BTM étaient plus fortement corrélés chez les frères comparativement aux hommes non apparentés. Ces données suggèrent un déterminisme héréditaire substantiel des niveaux de BTM chez les hommes. En conclusion, nous développons et confirmons l'importance des facteurs familiaux dans la pathogénie de l'ostéoporose chez les femmes et les hommes / The role of trabecular and cortical microstructure in bone strength and fracture risk is well documented, but its genetic determinism has not yet been studied. To find whether the bone microarchitecture, and bone metabolism have a strong hereditary determinism, a crosssectional epidemiological study (MODAM study) was conducted, investigating the familial resemblance of bone microarchitecture in postmenopausal mothers and their premenopausal daughters using high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT). We found that daughters of women with fracture have lower total volumetric bone mineral density (vBMD), thinner cortices, and impaired trabecular microarchitecture at the distal radius and tibia, compared with daughters of women without fracture. Another cross-sectional epidemiological study (MINOS study) was conducted to assess the correlation of bone mineral density (BMD), bone size, bone turnover markers (BTMs) and hormones regulating bone turnover in pairs of brothers and pairs of unrelated men, matched for age, weight and height. We found that bone size, BMD at some skeletal sites and most of the BTM levels correlated more strongly in the brothers than in the unrelated men. These data suggest a substantial hereditary determinism of the BTM levels in men. In conclusion, we expand and confirm the importance of familial factors in the pathogenesis of osteoporosis in both women and men