La simulation numérique de correction chirurgicale de la scoliose peut apporter une aide précieuse à la planification d'une stratégie optimale pour un patient donné. Au cours des études précédentes menées au Laboratoire de Biomécanique, un premier modèle a été développé, et la faisabilité d'une telle simulation numérique personnalisée de chirurgie a été démontrée. Toutefois, l'extrême complexité et l'opérateurdépendance de ce modèle représentent un frein à son utilisation dans un cadre clinique. L'objectif de notre travail est, d'une part, de reprendre cette modélisation afin d'en améliorer deux éléments clefs pour une future utilisation clinique: l'automatisation de la personnalisation des propriétés mécaniques, et la robustesse (stabilité numérique et opérateur-indépendance) de la simulation de chirurgie. D'autre part, la modélisation de différents cas cliniques vise à évaluer la pertinence du modèle, et à mieux comprendre les mécanismes de correction. L'identification des propriétés mécaniques du rachis à partir de données in vivo (test clinique d'inclinaison latérale ou "bending"), a été automatisée en développant un algorithme d'optimisation guidée par de la connaissance a priori. La précision de cet outil a été évaluée sur des données in vivo issues des dossiers de trente patients scoliotiques. La simulation de chirurgie de correction de la scoliose a été rendue stable et opérateur-indépendante pour deux techniques différentes: par rotation de tige - instrumentation Cotrel- Dubousset ou CD - et par cintrage in situ ou CIS. En particulier, un algorithme spécifique définit et simule les séquences de cintrage in situ en accord avec l'expertise clinique. La cohérence de la simulation de chirurgie a été évaluée, tant au regard des données post-opératoires in vivo (issues des dossiers de vingt et dix patients scoliotiques pour les chirurgies respectives CD et CIS) que des mouvements vertébraux en per-opératoire (à partir de la littérature). Enfin, de multiples alternatives chirurgicales ont été envisagées, et différents concepts de correction ont été analysés sur le plan biomécanique. Notre travail ouvre des perspectives concrètes vers une utilisation en clinique de l'outil de simulation numérique personnalisée de chirurgie pour aider à la compréhension des mécanismes de correction, voire à la planification du geste chirurgical.

Thèse doctorat : Neurosciences : Nancy 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre.

La scoliose idiopathique de l’adolescent est caractérisée par une déformation en trois dimensions de la colonne vertébrale. Les causes qui expliquent l'apparition de la scoliose demeurent encore aujourd’hui incertaines, ce qui suggère que l’étiologie de la pathologie est d’ordre multifactoriel. (Lowe et al., 2000). Il a été démontré que les patients atteints de la scoliose idiopathique voient leur contrôle postural affecté lorsque leurs informations sensorielles sont manipulées (Simoneau et al., 2006). Le but de cette étude était d’évaluer si les patients atteints de scoliose idiopathique utilisent davantage les informations vestibulaires que les informations proprioceptives pour contrôler leur équilibre. La stimulation galvanique vestibulaire a été utilisée afin d’engendrer une réponse vestibulomotrice lors de trois conditions : debout, assis stable et assis instable. De plus, la morphologie de l'appareil vestibulaire de 5 patients scoliotiques et 6 individus sains a été mesurée par la technique d’imagerie par résonnance magnétique. Les présents résultats démontrent que certains patients atteints d’une scoliose idiopathique intègrent moins efficacement les informations vestibulaires et proprioceptives du tronc et des membres inférieurs.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation la plus fréquente en orthopédie pédiatrique. C'est une maladie qui génère des déformations complexes du rachis, du thorax et du bassin affectant plus sévèrement et majoritairement les filles à la puberté. Malgré de nombreuses années de recherches approfondies dans le domaine de la SIA, la cause n'a toujours pas été résolue. OBJECTIFS : Il a été démontré qu’il existe une dysfonction de la signalisation de la mélatonine par les protéines G inhibitrices (Gi) dans les ostéoblastes isolés de patients atteints de SIA. Ceci a conduit à une stratification des patients en trois groupes fonctionnels. Le but de ce projet de maîtrise est d’établir les profils d’expression moléculaire correspondant à chacun des groupes fonctionnels. Les objectifs spécifiques sont d’identifier les gènes responsables de l’initiation de la SIA et du défaut différentiel observé dans la signalisation des récepteurs couplés aux protéines Gi. MÉTHODES : Des ARNs ont été préparés à partir d’ostéoblastes isolés de patients atteints de SIA sélectionnés pour chaque groupe fonctionnel et comparés aux ARNs obtenus d’ostéoblastes de sujets sains. En plus, des cellules sanguines (PBMCs) isolées d’une paire de jumelles monozygotes discordantes pour la scoliose ont été étudiées pour comparer leur profil d’expression génétique. Nous avons utilisé des biopuces à ADN contenant un ensemble de 54,000 sondes permettant l’analyse du niveau d’expression de plus de 47,000 transcrits représentant 30,000 gènes humains bien caractérisés (Affymetrix, GeneChip® Human gene 1.0 ST array). Les gènes retenus ont par la suite été validés par qPCR sur un plus grand nombre de patients afin de tester la spécificité des profils d’expression pour chaque groupe de patients à partir des cellules osseuses dérivées lors de la chirurgie. RÉSULTATS: Le profilage moléculaire proposé permettra d’établir les fondements moléculaires de la SIA selon le test fonctionnel développé par le Dr Moreau et son équipe et d’identifier de nouveaux gènes associés à la SIA. Ce projet a permis de mettre en évidence des gènes possiblement impliqués dans le défaut de signalisation associé aux protéines Gi communs aux trois groupes, ainsi que des gènes spécifiques à certains groupes, pouvant contribuer au développement de certaines co-morbidités et/ou au risque d’aggravation des déformations rachidiennes. L’étude préliminaire des jumelles monozygotes discordantes pour la scoliose a mis en évidence un nombre limité de gènes possiblement associés au défaut de signalisation observé chez la jumelle scoliotique, gènes dont l’expression pourrait être influencée par des modifications d’ordre épigénétique liées à l’environnement. CONCLUSION: Les données obtenues par des approches de transcriptomiques dans le cadre de ce projet soutiennent notre méthode de stratification fonctionnelle des patients SIA et ont conduit à l’identification de nouveaux gènes associés à la SIA. Ces résultats jettent un éclairage nouveau sur la SIA et contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes et facteurs impliqués dans l’étiologie de la SIA. À cet égard, nos résultats permettront éventuellement d’identifier des cibles thérapeutiques potentielles et des traitements personnalisés compte tenu des profils moléculaires distincts observés pour chaque groupe de patients. / The adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most common deformity in paediatric orthopaedics. It is a disease that generates complex deformations of the spine, thorax and pelvis and severely affecting mainly girls at puberty. Despite many years extensive research into the field of AIS, the cause of this disorder has still not been resolved. OBJECTIFS: We have demonstrated a differential melatonin signaling dysfunction through G inhibitory (Gi) proteins in osteoblasts isolated from AIS patients. This led to a stratification of AIS patients into three distinct functional groups. The goal of this project is to establish molecular expression profiles corresponding to each functional group. The specific objective is to identify genes responsible for the initiation of the AIS and the differential dysfunction in the signaling of Gi protein-coupled receptors. METHODES: Osteoblasts isolated from AIS patients of each functional subgroup were selected and compared to osteoblasts obtained from healthy controls. In addition, blood cells (PBMCs) isolated from a pair of monozygotic discordant twins of scoliosis was studied to compare their gene expression profiles. We used DNA chips with 54,000 probe sets that allow analysis of expression level of over 47,000 transcripts and variants from over 30,000 well-characterized human genes (Affymetrix, GeneChip® Human gene 1.0 ST array). The identified genes were subsequently validated by qPCR in a larger number of patients in order to test the specificity of expression profiles for each group of patients using bone cells derived during surgery. RESULTS: The molecular profiling will establish the molecular basis of AIS according to the functional test developed by Moreau et al., and identify new genes associate with AIS. This project may allow us to identify genes involved in the dysfunction of Gi protein signaling which present in all three groups of patients. Also genes associated specifically with a particular group, can contribute to the development of certain AIS co-morbidities and/or to a risk of aggravation of spine deformities. The preliminary study of monozygotic discordant twins of scoliosis revealed a limited number of genes potentially associated with the signaling defect observed in the scoliotic twin, the gene expression could be influenced by epigenetic changes related to the environment. CONCLUSION: The data obtained by transcriptomic approaches further support our functional method of AIS patients’ stratification, also allowed the identification of novel genes associated with AIS. Such results would provide us a better understanding of the mechanisms and factors involved in the etiology of AIS. In this regard, our results would help to identify potential and specific therapeutic targets and personalized treatments based on the distinct molecular profiles observed in each patient group.

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

L'objectif de cette étude est l'analyse d'une technique chirurgicale de réduction de la déformation scoliotique, au travers des différents outils que sont la reconstruction tridimensionnelle du rachis dans les temps pré et post opératoires et la simulation par la méthode des éléments finis.<br />Un dispositif de stéréoradiographie spécifique a été développé et a permis la reconstruction du rachis d'une vingtaine de patients scoliotiques.<br />Cette modélisation géométrique a été validée en terme d'orientation relative des vertèbres reconstruites et a conduit à une analyse de la déformation du rachis et de sa correction chirurgicale, de manière segmentaire et au cœur même de la " torsion " de la scoliose.<br />Les phénomènes de correction siégeant pendant la chirurgie ont été appréhendés lors de la simulation par éléments finis de deux cas réels, l'un de cyphose et l'autre de scoliose. Cette simulation a été basée sur un modèle global et personnalisé du rachis où le comportement élasto-plastique de l'instrumentation et les conditions aux limites complexes ont été pris en compte (les manœuvres du chirurgien se traduisant par les charges et décharges successives de flexion sur une tige attachée au rachis). Les résultats prédictifs de simulation se sont révélés cohérents, comparés à la reconstruction tridimensionnelle post opératoire.<br />Ces outils d'analyse peuvent constituer une aide au clinicien lors du diagnostic et de la planification de l'opération chirurgicale.

La scoliose idiopathique est une pathologie d'origine multifactorielle entraînant une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Elle apparaît dans la plupart des cas chez les préadolescents en cours de croissance. L'identification précoce des patients présentant un risque réel d'aggravation est nécessaire pour une prise en charge thérapeutique efficace. Cependant elle est difficile avec les moyens d'analyse actuels. L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre des outils récemment développés en recherche (analyse de la posture et des mobilités, reconstruction géométrique 3D, modélisation en éléments finis) afin de quantifier leur pertinence pour l'évaluation du risque d'aggravation de ces scolioses. Dans le cadre d'une étude clinique prospective multicentrique, l'observation de 72 patients scoliotiques et leur comparaison à des populations de référence (normales, scolioses sévères) a permis une classification par similitude basée sur 6 paramètres descripteurs de la géométrie tridimensionnelle. Les analyses mécaniques complémentaires réalisées à l'aide d'un modèle en éléments finis ont permis, dans certains cas, d'objectiver un risque d'aggravation. Ces outils apportent aux cliniciens de nouveaux moyens d'identification des scolioses évolutives ce qui leur permet d'engager très précocement un traitement adapté à la situation biomécanique de chaque patient.

La scoliose est une déformation du rachis dans les trois plans de l'espace. Cette déformation est évolutive pendant toute la croissance. Les enjeux sont pronostics et thérapeutiques. L'étude de la déformation scoliotique en 3D grâce aux méthodes d'imagerie actuelles a permis de décrire un schéma spécifique 3D de scoliose évolutive à partir de paramètres du plan transversal. Ce schéma spécifique 3D est indépendant de la topographie de la scoliose et apparaît tôt dans l'évolution de la scoliose. Prédire l'aggravation mène à pouvoir anticiper le traitement pour les scolioses à risque. Le traitement conservateur par corset reste le traitement de choix en période de croissance. Mais il n'est pas consensuel. L'étude de l'effet en 3D des corsets, au cas par cas, a permis de montrer la grande variabilité de l'effet des corsets sur l'ensemble des paramètres 3D rachidiens et pelviens. Les corsets prennent appui sur la cage thoracique. Leur effet sur la forme 3D de la cage thoracique est mal connu par manque de méthode d'analyse fiable et reproductible en position debout validée chez les patients scoliotiques. La méthode de reconstruction 3D de la cage thoracique à partir de radiographies biplanaires calibrées, développée et validée au LBM chez des patients sains, a fait l'objet dans ce travail, d'une validation chez les patients scoliotiques. L'accès à la morphologie 3D du rachis et de la cage thoracique a donc permis d'étudier de façon préliminaire l'effet des corsets sur la cage thoracique. Cette étude a montré une grande variabilité de l'effet des corsets et a permis de poser les bases de futures études cliniques et biomécaniques visant améliorer la compréhension de l'effet 3D des corsets sur le rachis et la cage thoracique.