La scoliose idiopathique adolescente est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertérale. Les formes les plus sévères de cette pathologie nécessitent une intervention chirurgicale qui permet de corriger la géométrie du rachis. Ces chirurgies sont très invasives et les vertèbres instrumentées du patient sont fusionnées afin d'obtenir une plus grande stabilité. Ainsi, les patients ayant subi cette chirurgie perdent une grande part de mobilité de la colonne vertébrale.

Les implants n'induisant pas de fusion vertébrale développés dans les dernières années démontrent une capacité de corriger ou d'induire des courbures rachidiennes, cependant ils entourent les disques intervertébraux. Ainsi, lors de leur action de modulation de croissance, ils exercent une compression sur le disque intervertébral et peuvent mener à son altération. L'objectif de ce projet de maîtrise est de tester le design d'un implant qui repose sur un nouveau concept permettant de moduler la croissance vertébrale de façon minimalement invasive, sans fusionner les vertèbres et sans altérer le disque intervertébral. Ce concept physaire implique que l'implant agit uniquement sur la plaque de croissance sans couvrir le disque intervertébral. Cet objectif a impliqué le développement d'une microagrafe adaptée à un petit modèle animal dans le but de lui induire une courbure vertébrale contrôlée.

Après des essais sur plusieurs animaux cadavériques, les vertèbres caudales de rat se sont révélées être le modèle animal le plus adéquat pour ce projet. Le concept de correction physaire a été adapté à ce modèle animal en une microagrafe fixée aux vertèbres par une petite vis. Le protocole expérimental comportait trois groupes:​ un premier groupe de onze rats instrumentés (Cd7 à Cd10), un groupe sham de cinq rats et un groupe contrôle de cinq rats. L'expérience a duré sept semaines durant lesquelles cinq radiographies ont été prises, tous les douze jours, sur tous les animaux en plus des radiographies préopératoires. Lors de la prise de ces radiographies, des marqueurs fluorescents (tétracycline et calcéine) ont été injectés alternativement afin de marquer l'os en croissance. Après le sacrifice des animaux, les vertèbres Cd6 à Cd11 ont été prélevées sur tous les rats et enrobées dans une résine de méthyl métacrylate (MMA). Des radiographies à haute résolution ainsi que trois micro-CT scans ont été pris sur les tissus prélevés. Des coupes histologiques ont été réalisées afin de procéder à une première analyse histomorphométrique, ainsi qu'une analyse de la plaque de croissance et des disques intervertébraux.

Les analyses radiographiques ont mis en évidence des déformations avec des angles de Cobb importants de 30° en moyenne (maximum:​ 35° et minimum:​ 25°) obtenus après 23 jours d'implantation pour les animaux du groupe instrumentés ayant présenté une réponse complète de modulation de croissance. Ces angles se sont ensuite légèrement résorbés à une moyenne de 23° (maximum:​ 30° et minimum:​ 17o). Les vertèbres de ce sous-groupe ont été cunéiformisées à un maximum de 22° (10° en moyenne) durant les sept semaines d'implantation. Le groupe sham n'a pas montré de différence significative de modulation de croissance, par rapport au groupe contrôle. Une analyse histologique descriptive des disques intervertébraux se basant sur des critères extraits d'inspection visuelle a permis de voir que la plupart d'entre eux (11/16) semblent sains.

Cette étude démontre la faisabilité d'une technique de modulation de croissance sans fusion sur un modèle de vertèbres caudales de rat. La diminution des angles de Cobb observée en fin d'expérimentation est probablement due à la force de la plaque de croissance qui pousse les implants latéralement hors de leur position d'origine. Le mauvais positionnement de certains implants peut être attribué à la difficulté des chirurgies. À l'âge de 26 jours, les animaux étaient très petits et leur physe difficile à différencier du reste du cartilage osseux, même sous un microscope. Dans ce cas, ils ne produisent pas de modulation de croissance efficace. Dans un modèle animal plus grand ou chez les humains, ce problème de positionnement devrait être résolu par la plus grande taille des vertèbres. La plupart des disques intervertébraux semblent sains. Cinq des seize disques présentent des particularités. Trois d'entre eux proviennent d'un même animal et présentent du tissu fibreux, ce qui pourrait être dû à une légère infection postopératoire ou à des altérations occasionnées lors de l'intervention. Les deux autres présentent une hernie qui est probablement due aux manœuvres chirurgicales.

La microagrafe testée dans ce projet a permis de moduler la croissance vertébrale de façon très efficace lorsqu'elle était bien positionnée. Ce nouvel implant induit une courbure rachidienne de façon minimalement invasive, sans fusion vertébrale et sans endommager le disque intervertébral. La prochaine étape est l'adaptation de cet implant à un modèle animal plus grand et dans le futur pour des corrections de scolioses idiopathiques de l'adolescent.

Adolescent idiopathic scoliosis is a tridimensional spinal deformation. The most severe cases require a surgical correction using a rod and implant construct. These surgeries are very invasive and imply a fusion of the instrumented vertebrae. After their surgery, the patients face a great loss of mobility.

Fusionless staples have been developped in the past years and they showed a successful induction or correction of spinal curvatures. However, they all span the intervertebral disc space, which is changing the spine kinematics and applying a compression on the disc. This in turn may alter the exchange by diffusion of nutrients and waste inside the disc and can possibly lead to disc degeneration. The objective of this project was to test the design of an implant based on a new concept of fusionless growth modulation inducing no alteration of the intervertebral disc. This implies the development of a physeal device adapted to the size of a small animal model in which controlled spinal curvature was induced.

The chosen animal model was the rat tail. The concept was adapted to fit the size of the caudal vertebrae. The device was attached to the vertebra by a screw and intended to apply load on the vertebral physis to slow down the growth on the instrumented side. The experimental protocol had a group of 11 instrumented rats (Cd7 to Cd10, one device on each vertebra), a sham group of 5 rats and a control group of 5 rats. The implantation lasted for 7 weeks during which 5 radiographs were taken on all animals, every 12 days. After sacrifice (CO2), the vertebrae from Cd6 to Cd11 were harvested and embedded in methyl metacrylate (MMA). High resolution radiographs and three microCT Scans were taken on the harvested tissues. Histological analyses were done on the growth plate and on the intervertebral disc.

Mean Cobb angles of 30° (maximum 35°) were obtained at 23rd day postop in the subgroup of rats presenting a complete growth modulation response. These angles decreased a little to a mean angle of 23° (maximum 30°). Vertebrae of this subgroup presented a significant wedging with a maximal angle of 22° (average:​ 10°). The rats from the sham group showed no significant long term growth modulation compared to the control group. Descriptive histological analyses showed that in most cases (11/16), there was no alteration of the intervertebral disc in the operated segments.

The present study demonstrates the feasibility of a fusionless growth modulation technique on a rat tail model. Decreasing deformities were observed at the end of the experience. It is thought that the strength of the physeal plate and its growth pushes the device out of its position;​ the vertebrae overgrow the devices and this way the deformities decrease.

Improperly positioned devices did not produce growth modulation. A proper position thus is the key to an efficient growth modulation;​ however a device with a limited time effect could be a new research way for early and targeted scoliosis treatments. In larger animals or in humans, the problem will be lessened because of the dimensions of the vertebrae. The bad positioning may be attributed to the difficulty of the surgery:​ at the age of 26 days, the animals were very young and the physes were difficult to differentiate from the rest of the cartilage. Their very small and cartilaginous vertebrae made it difficult to position the device properly even under a microscope.

This study presents experimental evidence that this new vertebral physeal device, when properly positioned, induced a significant controlled wedging to vertebrae, while maintaining spinal flexibility. The intervertebral discs were not altered, except one animal having grown lots of fibrous tissue and two discs presenting hernia which are probably due to the surgical procedure. Deeper analysis of the intervertebral discs needs to be undertaken. This new surgical concept and device can then be tested on larger animal models and possibly transferred and adapted to humans with the clinical strategic goal of early treatment of scoliosis by controlled modulation of vertebral growth.