Orthopaedic tissues such as bone, cartilage, ligament, tendon and muscle serve primarily mechanical roles in support of controlled movement. These tissues must continually adapt to changes in their physical environments, in a lifelong process termed remodelling. Interactions between cells in orthopaedic tissues and their physical surroundings underlie tissue functions, remodelling, responses to injury, diseases and repair.

Osteoclasts are a type of bone cell responsible for bone resorption. Effects of mechanical stimulation on osteoclast differentiation and subsequent bone resorption activity are of interest for understanding bone physiology within a mechanically active environment. As a preliminary step toward osteoclast mechanotransduction experiments, we optimized conditions for osteoclast differentiation and adhesion to a highly extendable substrate made of poly(dimethylsiloxane) (PDMS). Results showed that a covalentlybound collagen coating can be used to promote osteoclast differentiation on extendable PDMS substrates which enables studies of osteoclast mechanostimulation. Differentiated osteoclasts maintained their functionality as evidenced by actin ring formation, gene expression and bone resorbing ability as specific features of active osteoclasts. To then study osteoclast behaviour in the context of mechanical stimulation, we applied relatively low frequency stimuli to osteoclast precursors and examined osteoclast differentiation and functionality. It was shown that low frequency mechanical stimulation can enhance osteoclastogenesis, in contrast with higher frequency stimulation which is known to be inhibitory during differentiation. Conditioned medium collected from mechanically stimulated cells contained factors that support differentiation of osteoclast precursors to mature osteoclasts. Results also indicated that the ERK 1/2 signaling pathway participates actively in the differentiation of bone marrow cells to osteoclasts under low frequency mechanical stimulation.

Mechanotransduction is also a ubiquitous regulator of cell behaviour in articular cartilage. In particular, fluid and solute transport in compressed cartilage regulate cell metabolism and may provide means for minimally invasive detection of tissue degeneration. We studied effects of static compression on diffusion of different contrast agents applicable in magnetic resonance (MR) or X-ray computed tomography (CT) through articular cartilage. Static compression occurs physiologically and results in changes in extracellular matrix (ECM) density, and here provided a means for nondestructive modification of tissue structure. Consistent with previous reports, diffusivity of contrast agents tended to decrease with increasing static compression. Alterations in fluid and GAG contents of cartilage ECM were consistent with this behaviour. Findings suggest that measurement of contrast agent diffusivities during CT or MR imaging could be used to assess focal changes in matrix properties in articular cartilage.

Les tissus orthopédiques tels que les os, les cartilages, les ligaments, les tendons et les muscles jouent des rôles essentiellement mécaniques en support au mouvement contrôlé. Ces tissus doivent continuellement s'adapter aux changements dans leur environnement, dans un processus continu appelé remodelage. Les interactions entre cellules dans les tissus orthopédiques et leur environnement physique sont à la base des fonctions des tissus, les réponses aux blessures, les maladies, le remodelage, et la réparation.

Les ostéoclastes sont une categorie de cellule osseuse responsable de la résorption osseuse. Les effets de la stimulation mécanique sur la différenciation des ostéoclastes et l'activité subséquente de résorption osseuse sont intéressants pour la compréhension de la physiologie osseuse dans un environnement mécaniquement active. Dans un premier temps vers des expériences de mécanotransduction des ostéoclastes, nous avons optimisé les conditions de la différenciation des ostéoclastes et de l'adhérence à un substrat hautement extensible en poly (diméthyl) (PDMS). Les résultats démontre qu'un revêtement de collagène lié de façon covalente peut être utilisé pour promouvoir la différenciation des ostéoclastes sur des substrats PDMS extensible qui permet des études de mechanostimulation des ostéoclastes. Les ostéoclastes différenciés ont maintenu leur fonctionnalité comme en témoigne la formation d'anneau d'actin, l'expression des gènes et la capacité de résorption osseuse en tant que caractéristiques spécifiques des ostéoclastes actifs. Pour ensuite étudier le comportement des ostéoclastes dans le cadre de la stimulation mécanique, nous avons appliqué des stimuli à relativement basse fréquence à des précurseurs des ostéoclastes et examiné la différenciation et fonctionnalité des ostéoclastes. Il a été montré que la stimulation mécanique à basse fréquence peut améliorer ostéoclastogenèse, en contraste avec la stimulation haute fréquence qui est connu pour être l'inhibiteur de la différenciation. Des milieux conditiotrned recueillies à partir de cellules stimulées mécaniquement contenait des facteurs qui soutiennent la différenciation des précurseurs des ostéoclastes en ostéoclastes matures. Les résultats ont également indiqué que la 1/2 voie de signalisation ERK participe activement à la différenciation des cellules de la moelle osseuse à ostéoclastes sous stimulation mécanique à basse fréquence.

Mécanotransduction est également un régulateur ubiquitaire du comportement des cellules dans le cartilage articulaire. En particulier, le transport des fluides et de solutés dans le cartilage comprimé régule le métabolisme des cellules et peut prévoir des moyens de détection minimalement invasif de la dégénérescence des tissus. Nous avons étudié les effets de la compression statique sur la diffusion des différents agents de contraste applicables à la résonance magnétique (IRM) ou le x-ray tomodensitométrie (TDM) à travers le cartilage articulaire. La compression statique survient physiologiquement et entraîne des changements dans la matrice extracellulaire (ECM) de densité, et ici a fourni un moyen de modification non destructive de la structure des tissus. En accord avec les rapports précédents, la diffusivité d'agents de contraste à tendance à se diminuer avec l'augmentation de la compression statique. Les modifications dans le liquide et dans le contenu de gag du cartilage ECM étaient compatibles avec ce comportement. Les résultats suggèrent que la mesure de contraste de diffusivités des agents durant l'imagerie CT ou IRM pourrait être utilisée pour évaluer les changements correspondants dans les propriétés matrice du cartilage articulaire.