Introduction:Internal fixation of fractures in the presence of osteopenia has been associated with a failure rate as high as 25%. Enhancing bone formation and osseointegration of orthopaedic hardware is a priority when treating patients with impaired bone regenerative capacity. Fibroblast Growth Factor (FGF) 18 regulates skeletal development and could therefore have applications in implant integration. This study was designed to determine if FGF 18 promotes bone formation and osseointegration in the osteopenic FGFR3-/- mouse and to examine its effect on bone marrow derived mesenchymal stem cells (MSCs).Methods: In Vivo: Intramedullary implants were fabricated from 0.4 x 10mm nylon rods coated with 300nm of titanium by physical vapour deposition. Skeletally mature, age matched female FGFR3-/- and wild type mice received bilateral intramedullary femoral implants. Left femurs received an intramedullary injection of 0.1μg of FGF 18 (courtesy Merck Serono), and right femurs received saline only. Six weeks later, femurs were harvested, radiographed, scanned by micro CT, and processed for undecalcified for histology.In Vitro: MSCs were harvested from femurs and tibiae of skeletally mature age matched FGFR3-/- and wild type mice. Cells were cultured in Alpha Modified Eagle's Medium (αMEM) to monitor proliferation or αMEM supplemented with ascorbic acid and sodium beta-glycerophosphate to monitor differentiation. Proliferation was assessed through cell counts and metabolic activity at days 3, 6 and 9. Differentiation was assessed through staining for osteoblasts and mineral deposition at days 6, 9 and 12.Results: Wild type mice exhibited more peri-implant bone formation compared to FGFR3-/- mice. Peri-implant bone formation at the proximal metaphyseal-diaphyseal junction was increased in FGF18 treated femurs compared with contralateral control femurs in wild type (p = NS) and FGFR3-/- (p = 0.04) mice. Histological analysis corroborated micro CT findings, with FGF 18 treated FGFR3-/- femurs forming peri-implant bone instead of the fibrous response seen in controls. In vitro studies showed that FGF18 significantly increased MSC proliferation and metabolism in a dose dependent manner in wild type and FGFR3-/- mice. Osteoblast differentiation was inhibited by FGF18 in wild type MSCs, while no significant effect was observed in cells harvested from FGFR3-/- mice.Conclusion: FGF 18 increases bone formation and osseointegration of intramedullary implants in osteopenic mice and increases MSC proliferation in both the presence and absence of FGFR3. FGF18 also inhibits early osteoblast differentiation in the presence of FGFR3. FGF 18 mediated MSC proliferation and osteogenesis is likely due to signalling through an alternate FGFR, likely FGFR1 or 2. Additional work is needed to confirm the identity of the alternate FGFR and to evaluate its capacity to improve osseous healing in unfavourable in-vivo environments. / Introduction: La fixation interne de fractures dans la présence de l'ostéopénie a été associée à un taux d'échec aussi élevé que 25%. Amélioration de la formation osseuse et l'ostéo-intégration de matériel orthopédique est une priorité pour le traitement de patients. Facteur de croissance des fibroblastes (FGF) 18 régit le développement squelettique et pourrait donc avoir des applications dans intégration de l'implant. Cette étude a été conçue pour déterminer si le FGF 18 favorise la formation osseuse et l'ostéo-intégration dans le ostéopénique FGFR3-/- souris et d'examiner son effet sur la moelle osseuse provenant de cellules souches mésenchymateuses (CSM).Méthodes: Implants intramédullaires ont été fabriqués à partir de tiges de nylon 10mm x 0,4 revêtus de 300nm de titane par dépôt de vapeur physique. Les souris de type FGFR3-/- et souris de type sauvage a reçu des implants intramédullaires au femurs. Les fémurs gauche ont reçu une injection intra-médullaire de 0.1μg de FGF 18 (Merck Serono), et les fémurs droit ont reçu une solution saline seule. Après six semaines, les fémurs ont été récoltés, analysé par les micro CT, et préparé pour l'histologie. Les CSM ont été récoltées à partir de fémurs et les tibias de souris de type FGFR3-/ - et de type sauvage. Les cellules ont été cultivées dans 'Alpha Modified Eagle's Medium' (aMEM) pour surveiller la proliferation, ou cultivées dans un milieu 'aMEM' complété avec de l'acide ascorbique et de sodium bêta-glycérophosphate pour surveiller la différenciation. La prolifération a été évaluée par dénombrement des cellules et l'activité métabolique aux jours 3, 6 et 9. Différenciation a été évaluée par coloration pour les ostéoblastes et les dépôts minéraux aux jours 6, 9 et 12.Résultats: Les souris de type sauvage ont produit plus d'os péri-implantaire par rapport à FGFR3-/ - souris. La formation osseuse péri-implantaire à la jonction proximale métaphysodiaphysaire a été augmenté en fémurs traités avec FGF18 par rapport aux fémurs de contrôle controlatéraux dans de type sauvage (p > 0.05) et FGFR3-/ - (p = 0.04). L'analyse histologique a corroboré les conclusions micro CT. Les femurs FGFR3-/ - qui ont recus FGF 18 traités fémurs ont formé l'os autour de l'implant au lieu de la réponse fibreuse vu dans les contrôles. Des études in vitro ont montré que la proliferation du MSC ont été augmenté avec FGF18 d'une manière dose-dépendante pour les type sauvage et les type FGFR3-/ -. La différenciation des ostéoblastes a été inhibée par FGF18 pour les CSM du type sauvage. Aucun effet significatif sur la différenciation a été observé dans les cellules récoltées à partir de souris FGFR3-/ -.Conclusion: FGF 18 augmente la formation osseuse et l'ostéo-intégration des implants intramédullaires chez la souris ostéopéniques. FGF 18 augmente la prolifération des CSM à la présence et l'absence de FGFR3. FGF18 inhibe également la différenciation ostéoblastique a la présence de FGFR3. Les effets de FGF 18 sur le prolifération des CSM et l'ostéogenèse est probablement dû à la signalisation grâce à un FGFR alternative, probablement FGFR1 ou 2. Des travaux in vivo supplémentaires sont nécessaires pour confirmer l'identité de l'autre FGFR et d'évaluer sa capacité à améliorer la cicatrisation de l'os en environnements défavorable
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110402 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Carli, Alberto |
| Contributors | Edward Harvey (Internal/Supervisor), Janet Henderson (Internal/Cosupervisor2) |
| 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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