OCLC: 1019460773
PROQUEST: 898592286
L’arthrose est une condition physique prévalente pour laquelle aucun traitement permettant de modifier la maladie n’est disponible présentement. La recherche actuelle évalue des modèles pré-cliniques pour le développement et la vérification des approches thérapeutiques, ou de réparation, potentielles. Par la suite, des essais cliniques sont effectués sur des sujets humains sous conditions contrôlées pour évaluer l’efficacité des approches les plus prometteuses. Ces études représentent un effort considérable où le choix de méthodes sensibles et pertinentes pour l’évaluation du cartilage articulaire est très important pour leur succès.
Les études pré-cliniques sur l’arthrose impliquent l’utilisation de modèles de blessures d’impact, où une blessure mécanique initiale est créée sur la surface du cartilage, laquelle peut initier les voies de dégradation qui culminent éventuellement en arthrose. L’étude des premiers événements de cette trajectoire est importante car les phases immédiates et aiguës après la blessure sont caractérisées par une augmentation de la réponse cellulaire et des activités de dégradation, ce qui représente une période très propice où les interventions thérapeutiques pour atténuer la progression de la maladie peuvent être les plus efficaces. Dans de telles études, une méthode d’évaluation suffisamment sensible doit être utilisée pour détecter les changements se produisant dans la matrice extracellulaire du cartilage.
Dans les études cliniques, une évaluation directe de la qualité du tissu cartilagineux en réparation est réalisée histologiquement à l’aide de petites biopsies obtenues au cours d’une arthroscopie de réévaluation. Les systèmes actuels de notation des coupes histologiques évaluent un nombre de caractéristiques qui contribuent à la durabilité à long terme des tissus cartilagineux en réparation, mais omettent une catégorie spécifique qui permet l’évaluation structurée de l'organisation du collagène. Le réseau de fibrilles de collagène joue un rôle critique sur la capacité de chargement du cartilage et est donc possiblement indicateur de la durabilité de la réparation du cartilage à long terme. Concevoir un système de notation où différents niveaux d’organisation du collagène pourraient être évalués selon une méthode sensible à l’orientation du collagène est nécessaire pour améliorer l’analyse de la qualité de la réparation du cartilage.
À ces fins, deux méthodologies d’évaluation du cartilage, les potentiels d’écoulement et la microscopie en lumière polarisée (PLM), ont été étudiées et les résultats ont été rapportés en quatre articles de revue. Les deux premiers concernent la sensibilité de la méthode des potentiels d’écoulement pour l’évaluation du cartilage et incluent aussi une étude sur les conséquences de l’entreposage au froid du cartilage sur ses propriétés. Les objectifs de ces articles étaient les suivants:
Les potentiels d’écoulement ont répondu aux changements du cartilage produits immédiatement après une blessure d’impact dans un modèle d’explants équins d'une manière dépendante de la dose reçue, c’est-à-dire que des réductions plus importantes des potentiels d’écoulement ont été observées avec l’augmentation de la contrainte maximale appliquée. Les tests biomécaniques sur les disques cartilagineux prélevés ont démontré une tendance similaire dans les paramètres associés au réseau de collagène, mais ces essais ont été moins sensibles aux changements du cartilage que les potentiels d'écoulement. Cette étude est la première à démontrer la sensibilité des potentiels d'écoulement pour la détection des changements dans le cartilage suite à un impact mécanique. Ces résultats suggèrent que les potentiels d’écoulement sont une méthode appropriée pour surveiller les changements du cartilage dans les modèles de blessures d’impact, où la dégénération du cartilage débute par une lésion mécanique localisée qui éventuellement progresse jusqu'à l'arthrose. La sensibilité accrue de la méthode des potentiels d’écoulement comparativement aux essais biomécaniques, de même que leur nature nondestructive, permet d'envisager des études avec des mesures séquentielles résolues dans l’espace, où le cartilage pourrait être évalué au site de la blessure ainsi que dans les zones adjacentes au fil du temps.
Les effets de l’entreposage au froid du cartilage sur ses propriétés biomécaniques et électromécaniques ont été étudiés dans les explants bovins ostéochondraux. Ces études ont démontré que le cartilage pourrait être réfrigéré dans des chambres humides pour une période de 6 jours sans observer d’effets sur ses propriétés biomécaniques ou électromécaniques. Un seul cycle de gel-dégel à -20°C a produit un effet minimal sur les propriétés électromécaniques, sans changements biomécaniques évidents. Ces résultats apportent de nouvelles informations concernant cet aspect important pour les tests sur le cartilage.
Un nouveau système de notation en PLM a été développé et validé avec succès. Ce dernier fournit une évaluation qualitative des différents niveaux d'organisation du collagène dans des coupes histologiques de cartilage en réparation. Une excellente fiabilité inter-observateur a été observée quand le système de notation a été utilisé par des personnes formées à l'évaluation de biopsies de tissus cartilagineux normaux, dégradés et en réparation. Les études de validation utilisant le SEM ont confirmé que les orientations globales de collagène observées en PLM étaient la conséquence de la vraie orientation des fibres de collagène. Des comparaisons approfondies de la structure du collagène utilisant la PLM et le SEM ont permis d’identifier des différences dans les distributions de diamètres des fibres et dans les proportions des zones du cartilage entre les tissus cartilagineux normaux, dégradés et en réparation. Ce travail a démontré que certaines stratégies de réparation du cartilage sont capables de produire une organisation stratifiée du collagène qui se rapproche de l’architecture du cartilage articulaire adulte. C’est la première étude qui fournit des preuves de cela à un niveau ultrastructural.
Les deux méthodes d'évaluation explorées au cours de cette thèse ont été jugées assez sensibles et appropriées pour l'évaluation du cartilage articulaire en dégénération et en réparation, et pourraient être facilement adaptées à d'autres domaines liés à la recherche sur le cartilage.
Osteoarthritis (OA) is a prevalent health condition for which no disease modifying strategies are presently available. Current research incorporates pre-clinical models for the development and testing of potential therapeutic or repair approaches, and subsequently, clinical trials are undertaken, where the most promising strategies are assessed in humans under controlled conditions. These are substantial endeavours requiring sensitive and appropriate evaluation methods for cartilage assessment to ensure their success.
Pre-clinical studies of OA include the use of impact injury models, where an initial mechanical insult to the cartilage surfaces can initiate degradative pathways that eventually culminate in OA. Studying early time points in this trajectory are desirable because the immediate and acute phases after injury are characterized by elevated cellular response and degradative activity, representing a window of opportunity where therapeutic intervention to mitigate disease progression may be the most effective. In such studies a sensitive method of cartilage assessment is required to monitor the changes expected to occur in the cartilage extracellular matrix.
In clinical trials, direct assessment of cartilage repair tissue quality is performed histologically using small biopsies obtained during a second-look arthroscopy. Current histological scoring systems evaluate a number of characteristics believed to contribute to the long term durability of repair tissues but lack a specific category where a structured evaluation of collagen organization is made. Collagen architecture plays a critical role in cartilage load bearing properties and is therefore likely indicative of the long term durability of cartilage repair tissues. Designing a score where different levels of collagen organization could be assessed using a method sensitive to collagen orientation is required to enhance the analysis of repair tissue quality.
To these ends, two cartilage evaluation methodologies, streaming potentials and polarized light microscopy (PLM), were investigated, and the findings reported in the form of four manuscripts. The first two concern the sensitivity of the streaming potential method for evaluating cartilage and include an assessment of the effect of cold storage on cartilage properties. The objectives of these articles were:
The third and fourth articles describe the development, testing, and validation of a polarized light microscopy (PLM) score for evaluating collagen organization and include detailed comparisons using scanning electron microscopy (SEM). The main objectives of these articles were:
Streaming potentials detected cartilage changes produced immediately after impact injury in an equine explant model in a dose-dependent manner, where greater reductions in streaming potentials occurred as peak stress increased. Biomechanical tests of isolated cartilage disks indicated a similar trend in parameters associated with the collagen network but these tests were less sensitive to cartilage changes than streaming potentials. This study is the first to demonstrate the sensitivity of streaming potentials to cartilage changes produced by blunt impact. These findings suggest that streaming potentials are an appropriate method for monitoring cartilage changes in impact injury models, where cartilage degeneration is initiated by a focal mechanical injury that eventually progresses to osteoarthritis. The heightened sensitivity compared with biomechanical testing and the non-destructive nature of the streaming potential method will allow subsequent studies to consider spatially-resolved, sequential measurements where cartilage can be assessed at the site of injury as well as in adjacent areas over time.
The effects of cold storage on cartilage electromechanical and biomechanical properties were investigated in bovine osteochondral explants. These experiments demonstrated that cartilage could be refrigerated in humid chambers for a period of 6 days with no detectable detrimental effects to either biomechanical or electromechanical properties. A single freeze-thaw cycle at -20°C resulted in a nominal effect on electromechanical properties with no evident biomechanical changes. These findings contribute new information regarding this important aspect of cartilage testing.
A new polarized light microscopy score was successfully developed and validated that provides a qualitative evaluation of different levels of collagen organization in histological sections of human repair cartilage. Excellent inter-reader reliability was observed when the score was applied by trained individuals in the assessment of normal, degraded and repair cartilage biopsies. Validation studies using SEM confirmed that the global collagen orientations observed in PLM were a consequence of true collagen fibre direction. Further comparisons of collagen structure using both PLM and SEM identified differences in fibre diameter distributions and zone proportions among normal, degraded and repair cartilage tissues. This work demonstrated that certain cartilage repair strategies are capable of producing stratified collagen organization that approximates the architecture of mature hyaline articular cartilage and is the first to provide evidence of this on an ultrastructural level.
Both assessment methods explored during the course of this thesis were found to be sensitive and appropriate means of evaluating cartilage in degeneration and repair scenarios, and could be readily adapted to other areas of cartilage research.