Distraction osteogenesis (DO) is a common surgical technique for bone lengthening in treatment of limb discrepancies, congenital deformities, traumatic bone loss, infections, and malignancies. It is made of three main phases: the latency phase, the distraction phase, and the consolidation phase. DO is not short of drawbacks. The main drawback of DO is the long consolidation period when the patient is required to keep on the fixator in place for the regenerate bone to consolidate. Thus, any attempt to shorten this process would be greatly beneficial. Bone morphogenetic proteins (BMPs) are crucial in bone and cartilage development. BMP-2, -4, -6, and -7 have been described as the most osteogenic BMPs. BMP-7 has been recently demonstrated to be beneficial in bone formation during distraction osteogenesis in a rat model. However, there are no studies investigating the optimal dose of BMP-7 administration for accelerating bone formation during distraction osteogenesis. Hence, we sought to determine the optimal dose of exogenous BMP-7 administration during DO. For this purpose, DO was performed on the right tibia of 79 wild type male mice (C57BL/6) using a miniature version of the Ilizarov fixator. Mice underwent a latency period of 5 days, followed by a distraction phase of 12 days (0.2 mm every twelve hours) and a consolidation phase of 34 days. Animals were randomized into two major groups according to the time of sacrifice: mid-consolidation (day 34) and end of consolidation (day 51). Each major group was further sub-divided according to the administered dose of BMP-7. Three different doses of BMP-7 were injected at the osteotomy site on the first day of distraction (0.05µg, 0.10µg, 0.50µg corresponding to 2µg/kg, 4µg/kg, and 20µg/kg of BMP-7). Control groups (6 mice for mid-consolidation and 4 mice for end of consolidation) were injected with ultra-pure water. Collected samples were studied using Faxitron X-ray, µCT, static histomorphometry, biomechanical testing, immunohistochemistry, and histology. We saw a reducing effect in bone formation during distraction osteogenesis of wild type mice upon increasing the dose of BMP-7 at mid-consolidation. µCT analysis and static histomorphometry parameters revealed a statistically significant decrease in bone volume/tissue volume ratio (BV/TV) and new regenerate BV upon increasing the BMP-7 dose. However, all groups had greater BV/TV and new regenerate bone volume compared to the control group. Biomechanical evaluation at 34 days showed the greatest stiffness and ultimate work to fracture at the lowest administrated dose. On the other hand, at the end of consolidation, the µCT and static histomorphometry results demonstrated the greatest BV/TV at medium dose (30.09±4.076, 38.73±1.533, 27.02±2.684, and 17.68±3.808 for 2µkg, 4µg/kg, 20µg/kg, and control respectively). Similarly, the new regenerate bone formation had comparable results (4.062±0.4874, 6.969±1.123, and 4.946±0.6362 for 2µkg, 4µg/kg, and 20µg/kg respectively). Biomechanical testing of collected samples at 51 days (end of consolidation) demonstrated a gradual decrease in stiffness (63.72±35.03, 45.56±8.045, 28.99±11.22, and 35.49±17.00 for 2µkg, 4µg/kg, 20µg/kg, and control respectively) and ultimate force to fracture (13.69±5.149, 13.12±2.086, 8.815±2.972, and 8.188±3.334 for 2µkg, 4µg/kg, 20µg/kg, and control respectively) upon increasing the administered dose of BMP-7. In conclusion, results from this study suggest that BMP-7 exerts an important physiological role in new bone regeneration during distraction osteogenesis in wild type mice. Additionally, we demonstrated that upon increasing the administered BMP-7 dosing, the amount of new regenerate bone formation and BV/TV has a decreasing trend. These results were comparable with the biomechanical evaluations obtained at mid-consolidation and end of consolidation. Thus, the dose-response curve does plateau and proceeds downward at higher dosages of exogenous rhBMP-7. / L'ostéogenèse par distraction (DO) est une technique courante de chirurgie pour l'allongement des os dans le traitement des anomalies des membres, des malformations congénitales, de la perte osseuse traumatique, des infections et des tumeurs malignes. Elle est composée de trois phases principales: la phase de latence, la phase de distraction, et la phase de consolidation. DO amène cependant plusieurs inconvénients. Le principal inconvénient de l'ostéogenèse par distraction est la longue période de solidification. Ainsi, toute tentative visant à raccourcir ce processus serait grandement bénéfique. Les protéines morphogénétiques osseuses (BMP) sont cruciales au développement des os et du cartilage. Il a récemment été démontré que la BMP-7 a un effet bénéfique sur la formation osseuse au cours de distraction osseuse sur des rats. Cependant, il n'existe pas d'études pour trouver la dose optimale d'injection de BMP-7. Par conséquent, nous avons cherché à déterminer la dose optimale d'administration de BMP-7 exogène au cours de DO. À cette fin, DO a été effectuée sur le tibia droit de 79 souris mâle sauvages (C57BL / 6) en utilisant une version miniature du fixateur Ilizarov. Les animaux ont été séparés au hasard en deux groupes principaux en fonction du moment d'euthanasie; 45 souris ont été euthanasiées à la mi-solidification et 34 ont été euthanasiées à la fin de la solidification. Chaque groupe a ensuite été subdivisé en fonction de la dose administrée de BMP-7. Trois doses différentes de BMP-7 ont été injectées sur le site de l'ostéotomie au premier jour de la distraction (0.05μg, 0.10μg, 0.50μg correspondant à 2μg/kg, 4μg/kg et 20μg/kg de BMP-7). Les groupes de contrôle ont été injectés avec de l'eau pure. Des échantillons ont été collectés à deux points dans le temps: 34 jours (mi-solidification) et 51 jours (fin de la solidification). Les échantillons prélevés ont été étudiés à l'aide d'un rayon-X Faxitron, d'un μCT, de l'histomorphométrie statique, d'essais biomécaniques, de l'immunohistochimie, et de l'histologie. Les résultats ont démontré qu'il y a un effet réducteur pour accélérer la formation osseuse au cours de distraction osseuse avant l'augmentation de la dose de BMP-7 au mi-solidification. L'analyse μCT et les paramètres histomorphométrie statiques ont révélé une diminution statistiquement significative du volume osseux/volume des tissus (BV/TV) et de la régénération osseuse avant l'augmentation de la dose de BMP-7. L'évaluation biomécanique au 34ième jours a également démontré une plus grande rigidité et de travail ultime avant rupture à la plus faible dose administrée de BMP-7. D'autre part, au fin de la solidification, les résultats histomorphométriques statiques et μCT ont démontré la plus grande BV/TV à la dose moyenne d'administration de 4μg/kg (30.09 ± 4,076, 1,533 ± 38,73, 27,02 ± 2,684 et 17,68 ± 3,808 pour 2μkg, 4μg/kg, 20μg/kg, et le contrôle, respectivement). De même, la formation de osseuse avait des résultats comparables (4,062 ± 0,4874, 6,969 ± 1,123, 4,946 et 0,6362 ± pour 2μkg, 4μg/kg et 20μg/kg respectivement). Les essais biomécaniques sur les échantillons prélevés au fin de la solidification ont démontré une diminution progressive de la rigidité (63,72 ± 35,03, 45,56 ± 8,045, 28,99 ± 11,22 et 35,49 ± 17,00 pour 2μkg, 4μg/kg, 20μg/kg, et le contrôle, respectivement) et la force ultime avant rupture (13,69 ± 5,149, 2,086 ± 13,12, 8,815 ± 2,972, 8,188 et 3,334 ± pour 2μkg, 4μg/kg, 20μg/kg, et le contrôle, respectivement) après l'augmentation de la dose. En conclusion, les résultats de cette étude suggèrent que la BMP-7 exerce un rôle physiologique important dans la régénération osseuse au cours de la DO. Également, nous avons démontré qu'avec l'augmentation de la dose administrée, la quantité de formation osseuse et de BV sont à la baisse. Ces résultats sont comparables avec les évaluations biomécaniques obtenus à mi-solidification et fin de la solidification.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.103541 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Izadpanah, Ali |
| Contributors | C Reggie Hamdy (Supervisor2), M Lucie Lessard (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Surgery) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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