Pendant la croissance rapide pubertaire, les os sont sensibles aux stimuli mécaniques environnants. Les sollicitations mécaniques telles que les activités physiques fréquentes peuvent contribuer positivement au développement du squelette. Ces activités peuvent entrainer de faibles impacts (comme la marche, la natation, etc.) ou des impacts élevés (comme la course, le saut, etc.) selon la nature de l'activité physique. En plus de la charge mécanique, les facteurs nutritionnels contribuent également de manière significative au développement osseux pendant les périodes de croissance. Les effets des charges d'impact sur la croissance et le développement osseux au cours de l'adolescence ont été investigués par plusieurs chercheurs dans des études animales et cliniques, mais les résultats sont variables. Les recherches antérieures n'ont pas clairement abordé les effets isolés du chargement d'impact par rapport aux facteurs nutritionnels lors de l'évaluation de la croissance et du développement osseux. De plus, on ne sait toujours pas si les effets induits par les charges mécaniques pendant l'adolescence persistent à l'âge adulte et influencent les propriétés structurelles osseuses à long terme.

L'objectif de cette thèse était d'évaluer in vivo les effets des charges cycliques en compression faibles, moyennes et élevées appliquées pendant la puberté sur la croissance osseuse (à maturité squelettique) ainsi que sur la qualité osseuse et la résistance mécanique (à l'âge adulte) en utilisant un modèle animal (tibia de rat). Cet objectif a été atteint en complétant quatre études complémentaires. Tout d'abord, une dose d’exposition aux rayons X à haute résolution mais sécuritaire a été déterminée pour l'imagerie in vivo répétée par micro-CT des tibias de rat en croissance qui n'affecterait pas la croissance ou la microstructure osseuses. Deuxièmement, relation contraintes-déplacements a été établie pour les tibias pendant la période de croissance pubertaire du rat. Un outil de modélisation informatique a également été mis au point et validé pour évaluer les contraintes de l’os sous compression. Troisièmement, les effets de trois niveaux de charges cycliques en compression à la puberté sur la croissance osseuse, la morphométrie et la biomécanique ont été évalués à maturité du squelette. Enfin, les effets de ces trois niveaux de charges cycliques en compression appliquées à la puberté sur la microstructure osseuse ont été évalués à la maturité du squelette et après près d'un an d'entraînement à l'âge adulte.

Dans la première étude, trois doses de rayonnement micro-CT de 0,83, 1,65 et 2,47 Gy ont été testées. Les tibias droits de rats Sprague-Dawley mâles ont été scannés à l'aide d'un protocole de micro-CT in vivo de leur 4e à leur 12e semaine d'âge avec ces doses de rayonnement. Les tibias gauches ont servi de témoins. Les tibias gauches n'ont été scannés que le dernier jour, avant le sacrifice. Les cellules de la moelle osseuse ont été étudiées, les taux de croissance osseuse et des analyses histomorphométriques de la plaque de croissance ont été évalués et des paramètres mprphométriques osseux ont été déterminés pour les tibias gauches et droits. Les doses de rayonnement de 1,65 et 2,47 Gy se sont avérées néfastes pour les cellules de la moelle osseuse, pour les hauteurs des zones prolifératives et hypertrophiques et pour les taux de croissance osseuse dans les tibias irradiés. De plus, les doses de rayonnement de 1,65 et de 2,47 Gy ont réduit de façon significative la densité minérale osseuse, l'épaisseur trabéculaire, le nombre de trabécules et l'espacement trabéculaire des tibias irradiés. Les doses de rayonnement de 2,47 Gy ont aussi considérablement réduit l'épaisseur corticale. Cependant, le développement osseux et la morphométrie trabéculaire et corticale n'ont pas été affectés pour le groupe de 0,83 Gy. Les doses de rayonnement de 0,83 Gy ont ensuite été utilisées dans le cadre du projet requérant l'imagerie par micro-CT in vivo répétés des rats à l'adolescence, ce qui permet cette dose permettant d'obtenir des images à haute résolution pour des études morphométriques sans nuire à la croissance osseuse.

Dans la deuxième étude, trois groupes de rats (âgés de 4, 8 et 12 semaines) ont été utilisés pour établir la relation entre les déplacements tibiaux des rats et les contraintes. Des valeurs cibles de déformation ont été fixées à 450, 850 et 1250 µε, ce qui correspondait aux valeurs maximales de déformation du tibia humain dans des conditions de marche sans restriction (450 µε), de course en zig-zag en montée (850 µε) et de saut vertical (1250 µε). Des jauges de déformation ont été installées à la surface médio-proximale des tibias de rats et des déplacements en compression variant de 0,5 mm à 3,5 mm ont été appliqués de façon cyclique à 2 Hz. Les déplacements et les déformations enregistrés ont été approximées analytiquement par des relations linéaires. Une approche de modélisation par éléments finis, basée sur les données du micro-CT pour établir la géométrie et les propriétés mécaniques, a également été développée, pour les tibias de rats âgés de 4, 8 et 12 semaines, et utilisée pour évaluer les contraintes osseuses dans des conditions expérimentales de charge sous les conditions de chargement expérimentales. Les résultats de simulations ont montré une bonne concordance avec les contraintes expérimentales, ce qui a permis de valider l'approche de modélisation proposée.

Dans la troisième étude, cinq groupes de rats ont été utilisés pour étudier les effets du chargement cyclique en compression à court terme. Les rats, initialement âgés de 4 semaines, étaient divisés en groupes :​ témoin, sham, faible impact (LI), impact moyen (MI) et impact élevé (HI). Les tibias droits des groupes LI, MI et HI ont reçu une charge cyclique en compression correspondant à 450, 850 et 1250 µε, respectivement, pendant 5 jours/semaine pour 8 semaines en utilisant un dispositif de compression axiale adapté sur mesure. Les rats ont été sacrifiés à l'âge de 11 semaines. Les paramètres trabéculaires et corticaux de la structure osseuse ont été déterminés par micro-CT, le taux de croissance osseuse par marquage à la calcéine et l'histomorphométrie des plaques de croissance par coloration au bleu de toluidine. Les propriétés mécaniques des os ont été évaluées à partir d'essais de flexion. La charge HI a réduit le poids corporel des rats (12,8 %) et la consommation alimentaire (17 %) par rapport aux shams. Le taux de croissance osseuse a diminué de 6,5 % et de 10,5 %, respectivement, dans les groupes MI et HI. Après 8 semaines de chargement, le groupe HI a montré une augmentation significative de la densité minérale osseuse, de l'épaisseur trabéculaire, de la surface corticale et la surface totale de la diaphyse. La charge ultime et la rigidité ont également augmenté dans les groupes MI et HI comparativement aux shams. Dans l'ensemble, la charge d'impact durant l'adolescence a modérément réduit la croissance osseuse, mais a simultanément amélioré la qualité des os et la biomécanique osseuse à la fin de la période de croissance.

Dans la quatrième étude, cinq groupes de rats (âgés de 4 semaines) ont été utilisés pour étudier les effets à long terme de la charge cyclique en compression à l'adolescence. Les rats ont été divisés en groupes :​ témoin, sham, faible impact (LI), impact moyen (MI) et impact élevé (HI). Le protocole de mise en charge était similaire à celui de l'expérience à court terme, avec 8 semaines de charge de compression axiale in vivo de 4 à 11 semaines d'âge. Après le chargement, les rats ont été gardés dans leur cage pendant une période d'entraînement de 41 semaines. Ils ont été sacrifiés à l'âge de 52 semaines. Les paramètres trabéculaires et corticaux ont été déterminés par des analyses micro-CT et les propriétés mécaniques osseuses ont été évaluées à partir d'essais de flexion trois points. Des muscles tibiaux ont également été extraits et mesurés après le sacrifice. Des modèles par éléments finis des tibias de rats âgés de 52 semaines ont été générés pour évaluer la distribution des contraintes osseuses trabéculaires et corticales sous compression. Les charges HI et MI ont réduit le poids corporel et l'apport alimentaire à la fin de l'adolescence et au début de la période post-pubertaire. Toutefois, le poids corporel et l'apport alimentaire sont finalement revenus à un niveau semblable à celui des shams à 52 semaines. Les charges HI et MI ont augmenté la surface corticale, l'épaisseur et la surface totale de la diaphyse tibiale, ainsi que la densité minérale osseuse, l'épaisseur trabéculaire et la fraction du volume osseux au niveau des tibias proximaux. Les bienfaits de la charge sur la zone corticale, l'épaisseur et la densité minérale osseuse ont été perdus après 41 semaines d'entraînement à l'âge adulte. Cependant, les avantages induits par la charge sur la résistance mécanique des os ont persisté jusqu'à 52 semaines. Dans l'ensemble, la charge cyclique en compression de niveau élevé effectué pendant l'adolescence a entrainé des bienfaits à long terme pour la structure et la force des os.

Les limites de ce projet de recherche comprennent l'utilisation de tibias de rat mâle seulement pour l'ensemble du projet. L'utilisation de sujets masculins et féminins aurait pu fournir des informations supplémentaires sur les changements osseux associés à la charge, en fonction du sexe. Une autre limitation possible est l'utilisation des résultats mesurés par micro-CT comme indicateur de la qualité de l'os trabéculaire. La charge cyclique en compression de niveau élevé a augmenté les paramètres morphométriques trabéculaires dans notre étude. Aucun essai mécanique en relation à la géométrie trabéculaire possiblement modifiée, qui se traduirait par un tissu trabéculaire plus fort ou non, n'a été vérifiée. L'utilisation d'un modèle de rat est également associée à une limitation de la capacité de résorption de l'os cortical au cours d'une période d'entraînement. Ceci est dû à l'absence de remodelage secondaire des canaux de Haversian dans ce modèle animal;​ par conséquent, les rats continuent à se développer jusqu'à relativement tard dans la vie. Cependant, des études antérieures ont observé un remodelage osseux dans la structure osseuse corticale du rat adulte en réponse au chargement mécanique. De plus, l'étude des propriétés morphométriques trabéculaires uniquement à partir de la métaphyse proximale des tibias peut être considérée comme une limitation de cette étude. L'inclusion de résultats supplémentaires provenant de la partie distale aurait pu fournir des informations plus détaillées sur les changements induits par la charge dans l'ensemble de la structure tibiale.

Ce projet présente d'importantes contributions méthodologiques et scientifiques. Une nouvelle méthodologie basée sur la micro-CT a été développée pour segmenter la microstructure osseuse trabéculaire et corticale et évaluer la morphologie osseuse sans interférer avec la croissance osseuse et la santé osseuse globale. Un outil d'éléments finis basé sur le micro-CT a également été développé pour l'évaluation non destructive de la mécanique osseuse. À l'aide d'un protocole de chargement finement contrôlé et calibré en fonction de la déformation, cette recherche a permis de surmonter les limites actuelles des études cliniques ou expérimentales visant à établir les effets de la charge cyclique en compression sur la croissance osseuse et a donc fourni des résultats pertinents :​ une charge cyclique en compression de niveau élevé pendant la puberté nuit modérément à la croissance osseuse, mais elle favorise la solidité et la mécanique globale des os à maturité et ces avantages persistent à l'âge adulte. D'un point de vue clinique, les résultats de ce projet pourraient mener à des recommandations pour des programmes d'entraînement prescrits aux jeunes athlètes adolescents pratiquant des sports à impact élevé.

During the adolescent period, rapidly growing bones react sensitively to induced mechanical stimuli. Mechanical loadings such as daily physical activities can positively contribute to skeletal development. They can range from low impact activities (such as walking, swimming, etc.) to high impact activities (such as running, jumping, etc.) depending on the nature of the physical activity. Along with mechanical loading, nutritional factors also significantly contribute to bone development during growth periods. The effects of impact loadings on bone growth and development during the adolescent period have been investigated by several researchers in animal and clinical studies, but results are inconsistent. Previous research has not clearly addressed the isolated effects of impact loading from nutritional factors while evaluating bone growth and development. Moreover, it is still unclear whether the effects induced by mechanical loading during adolescence remains in adulthood and influence bone structural properties in the long term.

The objective of this thesis was to evaluate the effects of in vivo low, medium, and high cyclic axial compression applied during puberty on bone growth (at skeletal maturity) as well as on bone quality and mechanical strength (at adulthood) using an animal (rat tibia) model. This objective was achieved by conducting four interconnected studies. First, a safe yet high-resolution effective radiation dose was determined for repeated in vivo micro-CT scanning of the growing rat tibiae, which would not affect bone growth or microstructure. Secondly, rat tibial displacements vs strains relationships were established for the adolescent growing period via a strain calibration study. A computational modeling tool was also developed and validated for assessing bone strains under compressive loading. Thirdly, the effects of three different cyclic axial compression during puberty on bone growth, morphometry and biomechanics were assessed at skeletal maturity. Finally, the effects of three different cyclic axial compression during puberty on bone microstructure were assessed both at skeletal maturity and after almost a year of detraining period at adulthood.

In the first study, three micro-CT radiation doses of 0.83, 1.65 and 2.47 Gy were tested. The right tibiae of male Sprague-Dawley rats were scanned using an in vivo micro-CT scanning protocol from their 4th to 12th week of age with these radiation doses. The left tibiae were used as control. The left tibiae were only scanned on the last day, before sacrifice. Bone marrow cells were investigated, bone growth rates and histomorphometric analyses were performed, and bone structural parameters were determined for both left and right tibiae. Radiation doses of 1.65 and 2.47 Gy were found to negatively affect bone marrow cells, proliferative and hypertrophic zone heights, and bone growth rates in the irradiated tibiae. Also, both 1.65 and 2.47 Gy radiation doses significantly reduced bone mineral density, trabecular thickness, trabecular number and significantly increased trabecular spacing in the irradiated tibiae. Moreover, 2.47 Gy radiation doses significantly reduced cortical thickness during the scanning period. However, bone development and morphometry remained unaffected for the 0.83 Gy group. The 0.83 Gy radiation doses was then considered for further use in the project for repeated in vivo scanning of rats in the adolescent period, which would provide high-resolution images for morphometric investigation without interfering with bone growth.

In the second study, three groups of rats (4, 8 and 12 week old) were used for establishing rat tibial displacements vs. strains relationship. Target strain magnitudes were 450, 850, and 1250 µε, which corresponded to peak strain values in the human tibia during unrestricted walking (450 µε), zigzag uphill running (850 µε), and vertical jumping (1250 µε) conditions. Strain gauges were installed at the medio-proximal surface of the rat tibiae and compressive displacements ranging from 0.5 mm to 3.5 mm were applied in a Haversine form at 2Hz frequency. The recorded displacements and strains were plotted in linear fit graphs to establish the required relationships. A micro-CT based finite element modeling approach was also developed, using 4, 8 and 12 week old rat tibiae, and applied to assess bone strains under experimental loading conditions. Computational results showed good agreement with experimental strains in the correlation analyses and Bland Altman analyses, which allowed validating the proposed modeling approach.

In the third study, five groups of rats were used to investigate the effects of cyclic axial compression in the short term period. The rats, initially aged 4 week old, were divided in control, sham, low impact (LI), medium impact (MI), and high impact (HI) groups. The right tibiae of LI, MI, and HI groups received cyclic axial compression corresponding to 450, 850, and 1250 µε, respectively, for 5 days/week and for 8 weeks using a custom made axial compression loading device. Rats were sacrificed at 11 week of age. Trabecular and cortical bone structural parameters were determined by micro-CT, bone growth rate by calcein labeling and histomorphometry of growth plates by toluidine blue staining. Bone mechanical properties were evaluated from bending tests. HI loading reduced rat body weight (12.8%) and food consumption (17%) compared to shams. Bone growth rate was decreased in MI and HI groups by 6.5% and 10.5%, respectively. After 8 weeks of loading, HI group showed a significant increase in bone mineral density, trabecular thickness, cortical and total surface area. Ultimate load and stiffness were also increased in MI and HI groups compared to shams. Overall, impact loading during adolescence moderately reduced bone growth, but simultaneously improved bone quality and biomechanics at the end of the growing period.

In the fourth study, five groups of rats (aged 4 week old) were used for investigating the effects of cyclic axial compression during adolescence in the long term period. Rats were divided into control, sham, low impact (LI), medium impact (MI), and high impact (HI) groups. The loading protocol was similar to the short term experiment, with 8 weeks of in vivo axial compressive loading from 4 to 11 week of age. After the loading regime, rats were kept in their cage for a detraining period of 41 weeks. At the age of 52 week old, they were sacrificed. Trabecular and cortical parameters were determined by micro-CT analyses and bone mechanical properties were evaluated from three-point bending tests. Selective muscles were also extracted and measured after the sacrifice. Finite element models of the 52 week old rat tibiae were generated for assessing the distributions of trabecular and cortical bone strains under compressive loading. HI and MI loadings reduced body weight and food intake at the end of the adolescence period and at the beginning of post-pubertal period. However, both body weights and food intakes eventually returned to a level similar to shams at maturity. HI and MI loadings increased cortical area, thickness and total area at the mid-shaft, and bone mineral density, trabecular thickness and bone volume fraction at the proximal tibiae. Cortical area, thickness, and bone mineral density benefits were lost by 41 weeks of detraining period at adulthood. However, loading-induced benefits on bone mechanical strength persisted at adulthood. Overall, high impact exercise performed during adolescence could provide long-term benefits for bone structure and strength.

Limitations of this research project include using only male rat tibiae for the entire project. Using both male and female subjects could have provided additional sex-dependent insights into bone changes associated with loading. Also, another possible limitation is the use of micro-CT measured outcomes as an indicator for trabecular bone quality. High impact loading increased trabecular morphometric parameters in our study. But if the modified trabecular geometry translates to stronger trabecular tissue or not has not been verified by mechanical testing. The use of a rat model is also associated with a limitation for cortical bone ability of resorption in a detraining period. This is caused due to the lack of secondary remodeling of Haversian canals, hence rats continue to grow until relatively late in life. However, previous studies observed bone remodeling in cortical bone structure of adult rat under mechanical loading conditions. Also, investigating the trabecular morphometric properties only from the proximal metaphysis of the tibiae can be considered a limitation of this study. Including additional results from the distal part would have provided more detailed information about the loading induced changes throughout the entire tibial structure.

This project presents significant methodological and scientific contributions. A novel micro-CT based methodology was developed for segmenting trabecular and cortical bone microstructure and assessing the bone morphology without interfering with the bone growth and overall bone health. A micro-CT based finite element tool was also developed for non-destructively evaluating bone mechanics. Using a finely controlled and strain-calibrated loading protocol, this research has overcome current limitations of clinical or experimental studies trying to establish the effects of impact loading on bone growth and hence provided essential findings:​ high cyclic axial compression performed during puberty is moderately detrimental to bone growth, but benefits overall bone strength and mechanics at skeletal maturity, with these benefits persisting up to adulthood. On a clinical point of view, results of this project could lead to recommendations for training programs prescribed to young adolescent athletes involved in high impact sports.