L’environnement et les forces mécaniques peuvent moduler le taux de croissance des os. Ce phénomène constitue un concept clé dans la progression des malformations musculosquelettiques infantiles et juvéniles. La modulation mécanique de la croissance est d’un intérêt grandissant dans le développement et l’amélioration des approches minimalement invasives qui visent la modulation de la croissance de manière locale tout en préservant la croissance naturelle des os et les fonctions des différents segments osseux. La croissance longitudinale des os s’opère au droit des plaques de croissance. Bien que plusieurs approches préconisées en orthopédie pédiatrique soient basées sur la modulation de la croissance, les paramètres de chargement optimaux, permettant un meilleur contrôle sur la modulation de la croissance, ne sont pas clairement définis. Des études récentes ont investigué les effets d’un chargement statique vs dynamique appliqué sur des plaques de croissance, mais ont utilisé des paramètres de chargement non contrôlés, non équivalents en terme de chargement moyen résultant, ou non normalisés. Cette étude vise à déterminer les effets différentiels entre chargements statiques ou cycliques contrôlés, équivalents et normalisés sur la plaque de croissance, afin de déterminer le type de chargement offrant le meilleur potentiel de modulation de croissance.

Des explants de plaques de croissance porcines provenant de porcs âgés de 4 semaines ont été divisés en 4 groupes :​ baseline, contrôle, chargement statique et chargement cyclique équivalent. Une déformation en compression appliquée à un taux de 1.5E-03 s⁻¹ puis maintenue constante à 10% est appliquée sur les explants du groupe statique et une déformation en compression sinusoïdale (0.1 Hz) variant de 7% à 13% (moyenne de 10%) est utilisée pour le groupe dynamique. Les chargements sont réalisés sur une période de 48 heures à l’aide d’un système de microchargement installé dans un incubateur (37 °C, 5% CO₂). Le groupe contrôle est incubé dans les mêmes conditions, mais sans chargement. Pour le groupe baseline, les explants sont traités immédiatement après la dissection. Suite aux tests, l’histomorphométrie des plaques de croissance est caractérisée à partir de fragment d’explants enrobés dans le méthylmétacrylate. L’épaisseur totale de la plaque de croissance ainsi que la hauteur combinée des zones proliférative et hypertrophique sont mesurées sur des coupes histologiques colorées au bleu de Toluidine, puis le ratio combiné des deux zones inférieures par rapport à l’épaisseur totale est évalué. Des analyses statistiques sont complétées afin de comparer les chargements statique et dynamique. L’expression de l’aggrécane, du collagène de type II, du collagène de type X et du MMP13 dans la matrice extracellulaire est caractérisée par immunohistochimie sur des sections de paraffine. Des analyses qualitatives permettent d’évaluer le niveau d’expression de chacune des protéines de même que sa localisation dans la plaque de croissance. Une analyse comparative montre les tendances et les différences entre les groupes.

Les résultats indiquent que la compression statique engendre une diminution importante du ratio combiné des zones proliférative et hypertrophique par rapport à l’épaisseur totale de la plaque de croissance. Dans le cas des échantillons chargés dynamiquement, ce ratio est conservé lorsque comparé aux échantillons contrôle. Une désorganisation importante des colonnes de chondrocytes est cependant observée dans les zones proliférative et hypertrophique des échantillons chargés dynamiquement alors que l’organisation structurale des chondrocytes est conservée dans les échantillons chargés statiquement. Cette perturbation de l’arrangement columnaire dans les échantillons chargés dynamiquement pourrait vraisemblablement être reliée à une augmentation de la prolifération cellulaire, qui aurait forcé l’accommodement de matériel cellulaire et/ou extracellulaire ajouté dans la zone proliférative. Les résultats montrent également une réduction de l’expression de l’aggrécane, du collagène de type II et du collagène de type X suite au chargement statique. En revanche, la compression dynamique contribue à la synthèse de l’aggrécane et du collagène de type II dans la matrice extracellulaire de la plaque de croissance, suggérant que les charges dynamiques préservent la composition de la plaque de croissance. Considérant que la matrice extracellulaire ainsi que la prolifération et l’hypertrophie des chondrocytes sont étroitement liées au processus de croissance longitudinale, la croissance pourrait possiblement reprendre normalement après un traitement orthopédique de modulation de croissance impliquant des charges dynamiques.

Les principales limites du projet résident dans l’utilisation d’un modèle expérimental in vitro et dans la taille limitée de l’échantillonnage. En contrepartie, cette étude est la première à compléter une analyse comparative normalisée qui fournit des indications pertinentes sur les effets différentiels des charges statiques et dynamiques équivalentes en terme de déformation moyenne.

L’hypothèse de recherche, selon laquelle des chargements statiques et cycliques équivalents entraînent des changements distincts dans l’histomorphométrie de la plaque de croissance et dans les modes d’expression de protéines de sa matrice extracellulaire, est confirmée. Le type de chargement joue un rôle important dans la réponse mécanobiologique des plaques de croissance et le processus de croissance longitudinale est affecté différemment par une compression statique ou dynamique. La réalisation d’une future étude in vivo permettra entre autres de mesurer la prolifération cellulaire, l’hypertrophie des chondrocytes ainsi que le taux de croissance. Le potentiel de modulation de croissance des charges dynamiques versus les charges statiques pourrait être démontré concrètement.

The environment and mechanical forces may modulate the rate of bone growth. This is a key concept in the progression of infantile and juvenile musculoskeletal deformities. The mechanical modulation of growth is an increasing interest in the development and improvement of minimally invasive approaches that aim at modulating local growth while preserving the natural growth and functions of bone and bone segments. Bone longitudinal growth occurs in the growth plate. Although several approaches advocated in pediatric orthopedics are based on growth modulation, optimal loading parameters, allowing better control over the growth modulation, are not clearly defined. Recent studies have investigated the effects of dynamic versus static loads applied to growth plates, but have used uncontrolled loading parameters that were nonequivalent in terms of average strain or not standardized. This study aims to determine the differential effects between static and cyclic loadings, equivalent and standardized, on the growth plate to determine which type of loading has the greatest potential for growth modulation.

Growth plate explants from 4-week-old swine were divided into four groups:​ baseline, control, static loading and equivalent cyclic loading. A 10% compressive strain is applied on the explants at a rate of 1.5E-03 s⁻¹ and then kept constant. A sinusoidal compressive strain (0.1 Hz) ranging from 7% to 13% (mean of 10%) is used for the dynamic group. The loads are maintained over a 48 hours period using a micromechanical testing system installed in an incubator (37 ° C, 5% CO₂). The control group is incubated under the same conditions but without loading. For the baseline group, the explants were treated immediately after dissection. Following the tests, histomorphometry of growth plates is characterized from explants fragment embedded in the methylmethacrylate. The total thickness of the growth plate and the combined height of the proliferative and hypertrophic zones are measured on histological sections stained with Toluidine blue, and the combined ratio of the two lower zones compared to the total thickness is evaluated. Statistical analyses are conducted to compare the response to static and dynamic loads. The expression of aggrecan, type II collagen, type X collagen and MMP13 in the extracellular matrix is characterized by immunohistochemistry on paraffin sections. Qualitative analyses are completed to assess the level of expression of each protein as well as its location in the growth plate. A comparative analysis shows trends and differences between groups.

The results indicate that static compression leads to a significant decrease in the combined ratio of the proliferative and hypertrophic zones relative to the total thickness of the growth plate. In the case of dynamically loaded samples, this ratio is preserved when compared with control samples. A major disruption of the columnar organization of chondrocytes is observed in the proliferative and hypertrophic zones of dynamically loaded samples, however the structural organization of chondrocytes is retained in the statistically loaded samples. This disruption of the columnar arrangement in the dynamically loaded samples could probably be related to increased cell proliferation, which would force the accommodation of additional cellular and/or extracellular material added to the proliferative zone. The results also show a reduction in the expression of aggrecan, type II collagen and type X collagen after static loading. In contrast, dynamic compression contributes to the synthesis of aggrecan and type II collagen in the extracellular matrix of growth plate, suggesting that dynamic loads preserve the composition of the growth plate. Considering that the extracellular matrix and the proliferation and hypertrophy of chondrocytes are intimately related to the longitudinal growth process, growth could possibly return to normal after orthopedic treatment involving growth modulation based on dynamic loads.

The main limitations of the project are the use of an experimental in vitro model and the limited size of the samples. In return, this study is the first to complete a standard benchmarking that provides relevant information on the differential effects of static and dynamic loading equivalent in terms of average strain.

The research hypothesis that static and equivalent cyclic loads result in distinct changes in histomorphometry of the growth plate and in the expression pattern of the extracellular matrix proteins is confirmed. The type of loading plays an important role in the mechanobiological response of the growth plates and the longitudinal growth process is affected differently by a static or dynamic compression. The realization of a future in vivo study will include measurement of cell proliferation, chondrocytes hypertrophy and growth rate. The growth modulation potential of dynamic versus static loads could be demonstrated in concrete terms.