Approche multimodale d’analyse des adaptations osseuses ex-vivo

Levasseur, Annie (2020). Approche multimodale d’analyse des adaptations osseuses ex-vivo. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation	PDF Télécharger (36MB) | Prévisualisation
Prévisualisation	PDF Télécharger (1MB) | Prévisualisation

Résumé

La culture ex-vivo est une méthode expérimentale qui consiste à maintenir en vie des tissus biologiques hors de leur milieu physiologique d’origine. Des échantillons sont prélevés de donneurs et placés dans un bioréacteur qui vise à reproduire un environnement similaire à celui rencontré dans l’organisme vivant. Cette méthode expérimentale a pour avantage de permettre la réalisation d’essais et de mesures qu’il serait autrement impossible d‘effectuer directement sur des sujets vivants pour des raisons éthiques ou techniques.

La culture ex-vivo est utilisée notamment pour étudier les modifications de l’os trabéculaire en réponse à l’application d’une stimulation mécanique. Contrairement aux expérimentations in-vivo, qui sont réalisées sur des modèles animaux vivants, la culture ex-vivo permet une étude plus approfondie du tissu en contrôlant l’environnement dans lequel il évolue. Cependant, la caractérisation des changements subis lors de la culture a été identifiée comme étant un aspect à améliorer dans la mise en place de ce type d’expérimentation. La combinaison de multiples méthodes de mesure pour documenter les changements subis durant la période de culture est une approche rarement utilisée, malgré le fait qu’il soit reconnu important dans la littérature de considérer plusieurs facteurs pour évaluer la qualité osseuse.

L’objectif de cette thèse est de valider l’hypothèse que le suivi des adaptations osseuses issues de culture ex-vivo peut être amélioré par la combinaison de multiples modalités de mesure. Pour ce faire, un modèle de culture ex-vivo a été utilisé pour générer des adaptations osseuses par l’application d’un chargement mécanique. En raison de leur caractère non destructif et de leur haut niveau de résolution, la corrélation d’images et la micro-tomographie à rayons X ont été identifiées comme étant des méthodes de mesure potentielles pour caractériser l’évolution des échantillons durant la période de culture. Préalablement à leur utilisation, une série d’expérimentations a été effectuée pour évaluer la capacité de ces méthodes à détecter des modifications du tissu osseux dans un contexte de culture ex-vivo. Les résultats ont montré la possibilité d’utiliser la micro-tomographie à rayons X pour détecter, suite à une période de culture de 14 jours, des modifications osseuses supérieures au seuil de sensibilité de mesure de la méthode. Quant à la corrélation d’images, les résultats ont démontré la possibilité d’utiliser cette méthode de mesure, sans application d’un motif stochastique à base de peinture potentiellement nuisible à l’intégrité des échantillons, pour caractériser le comportement mécanique d’échantillons osseux dans un contexte de culture ex-vivo. Une fois les méthodes de caractérisation mises en place, une analyse multimodale des adaptations osseuses issues d’une culture ex-vivo a été réalisée. Les résultats ont montré que la complémentarité des changements mesurés par micro-tomographie à rayons X et par corrélation d’images, de même que la prise en considération des adaptations locales plutôt que globales, améliorent l’interprétation des résultats d’adaptation issus de la culture.

À terme, ce projet doctoral a contribué à l’avancement des connaissances relativement à la caractérisation des adaptations osseuses dans le cadre de culture ex-vivo. Sa réalisation a permis de démontrer la possibilité d’améliorer le suivi de l’évolution d’échantillons osseux par la combinaison de multiples modalités de mesure. L’utilisation d’une approche multimodale aura pour répercussion d’étendre les champs d’application de la culture ex-vivo et ainsi faire progresser les connaissances relativement au comportement du tissu osseux. La culture ex-vivo pourra éventuellement être utilisée pour étudier de nombreux phénomènes liés au processus de remodelage osseux dont la croissance, la résorption, l’ostéoporose, le renforcement osseux dû à l’application de mise en charge, l’incidence de fracture, l'ostéointégration, etc.

Titre traduit

Multimodal approach for the analysis of ex-vivo bone adaptations

Résumé traduit

Ex vivo culture is an experimental method that consists to keep biological tissues alive outside their original physiological environment. Samples are taken from donors and placed in a bioreactor that aims to reproduce an environment similar to that of the living organism. The advantage of this experimental method is to allow tests and measurements that would otherwise be impossible to carry out directly on living subjects for ethical or technical reasons.

Ex vivo culture is particularly used to study changes in the trabecular bone in response to the application of mechanical loading. Unlike in-vivo experiments, which are carried out on live animal models, ex-vivo culture allows a deeper study of the tissue by controlling the environment in which it evolves. However, the characterization of changes has been identified as an area to be improved in the implementation of this type of experimentation. The combination of multiple measurement methods to document changes during the culture period is rarely used, despite the fact that it is recognized important in the literature to consider several factors to assess bone quality.

The objective of this thesis is to validate the hypothesis that the monitoring of bone adaptations from ex vivo culture can be improved by combining multiple measurement modalities. To do this, an ex-vivo culture model was used to generate bone adaptations by applying mechanical loading to trabecular bone. Due to their non-destructive nature and high resolution, digital image correlation and X-ray micro-tomography have been identified as potential measurement methods to characterize the evolution of samples during the culture period. Prior to their use, a series of experiments were carried out to evaluate their ability to detect changes in bone tissue in an ex vivo culture context. The results showed the possibility of using X-ray micro-tomography to detect, after a 14-day culture period, bone changes above the sensitivity threshold of the method. As for digital image correlation, the results demonstrated the possibility of using this measurement method without the application of a stochastic paint pattern detrimental to the integrity of the samples, and to characterize the mechanical behaviour of bone samples in an ex vivo culture context. Once the characterization methods were implemented, a multimodal analysis of bone adaptations from an ex vivo culture was performed. The results showed that the complementarity of changes measured by X-ray icrotomography and digital image correlation, as well as the consideration of local rather than global adaptations, improve the interpretation of bone adaptations.

Ultimately, this project contributed to the advancement of knowledge regarding the characterization of bone adaptations in ex vivo culture. Its realization proved possible to improve the monitoring of bone samples evolution by combining multiple measurement methods. The use of a multimodal approach will have the effect of expanding the scope of application of ex-vivo culture and thus advancing knowledge about bone tissue behaviour. Ex-vivo culture may eventually be used to study many phenomena related to the bone remodeling process including growth, resorption, osteoporosis, bone reinforcement due to external load application, fracture incidence, osseointegration, etc.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielleà l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 103-109).
Mots-clés libres:	culture ex-vivo, adaptations osseuses, micro-tomographie à rayons X, corrélation d’images, analyse multimodale, os trabéculaire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Petit, Yvan
Codirecteur:	Codirecteur Ploeg, Heidi-Lynn
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 févr. 2022 20:56
Dernière modification:	01 févr. 2022 20:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2467

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt