Rozprawy doktorskie na temat „Régénération du disque intervertébral”

Le disque intervertébral (DIV) assure le maintien de la stabilité et de la dynamique du rachis, tout en amortissant les chocs subis lors des mouvements de l’ensemble du corps. Les sollicitations quotidiennes de celui-ci en font une structure fragile et peuvent conduire à sa dégénérescence, qui peut s’accompagner de lombalgies. Il a été démontré que 40% des cas de lombalgies chroniques seraient dues à une dégénérescence discale qui résulte d’un dérèglement profond de l’homéostasie tissulaire, celle-ci combinant de nombreux processus cellulaires et moléculaires. L’altération du dialogue entre la matrice extracellulaire (MEC) et les cellules résidentes déséquilibre la balance anabolisme/catabolisme. Les stratégies innovantes récentes ont tenté de restaurer la physiologie discale par injection de de cellules exogènes dans le noyau pulpeux (NP) du disque, en espérant obtenir la synthèse d’une nouvelle MEC saine. Ce projet de thèse consiste à utiliser les cellules souches discales récemment mises en évidence en tant que cellules réparatrices afin de stimuler une régénération endogène. L’objectif de ce travail est de développer un système injectable à libération séquentielle de facteurs biologiques afin de i) recruter les cellules souches discales au niveau du NPdégénéré, puis de ii) stimuler l’anabolisme de ces cellules recrutées et induire la synthèse d’une MEC saine. Pour ce faire, les chimiokines CCL5 et CXCL12, ainsi que les facteurs de croissance GDF-5 et TGF-β1, combinés à des microparticules polysaccharidiques, ont été étudiés. Ce système a été évalué in vitro puis ex vivo dans un modèle de culture d’organe de DIV ovin spontanément dégénéré
The intervertebral disc (IVD) maintains the stability and dynamics of the spine, absorbs shocks and distributes mechanical loads along the spinal column. It has been shown that 40% of chronic low back pain cases are due to discal degeneration, resulting of a profound disruption of tissue homeostasis. Indeed, a degenerated IVD exhibits dysregulation of its anabolic/catabolic balance and an altered dialogue between the extracellular matrix (ECM) and resident cells. To date, most innovative strategies have aimed to restore the IVD physiology by injection in the Nucleus pulposus (NP) of exogenous cells that could synthesize a new healthy ECM. This project consists of using recently identified IVD stem cells as reparative cells to stimulate endogenous regeneration. The objective of this work is thus to develop an injectable sequential release system of biological factors in order to i) recruit discal stem cells toward the degenerated NP, then ii) stimulate the anabolism of these recruited cells and induce the synthesis of a healthy ECM. To do this, the chemokines CCL5 and CXCL12, as well as the growth factors GDF-5 and TGF-β1, combined with polysaccharide microparticles, were studied. This system was evaluated in vitro and then ex vivo in a spontaneously degenerated ovine IVD organ culture model

Le disque intervertébral est un composant fondamental de la colonne vertébrale jouant un rôle essentiel dans la mobilité du rachis. Il a été montré que 20% des lombalgies chroniques sont liées à une hernie discale, définie comme la protrusion du Nucleus pulposus (NP), à travers l’Annulus fibrosus (AF), dans le canal rachidien pouvant induire la compression d’une racine nerveuse à l’origine des douleurs dites «projetées». Les lésions au sein de l’AF permettent l’entrée de vaisseaux et terminaisons nerveuses rendant le DIV lui-même douloureux, il s’agit de douleurs dites « discogéniques ». Actuellement, la procédure chirurgicale utilisée est la discectomie partielle qui consiste à enlever la partie herniée et ainsi décomprimer la racine nerveuse impliquée dans la douleur projetée. Bien qu’efficace à court terme, les résultats cliniques à long terme sont plus ou moins satisfaisants. En effet, les défauts au sein de l’AF persistent avec le temps et sont associés à un risque de 20% de réapparition d’une hernie discale et conduisent à une augmentation de 20% de la fréquence d’apparition de la dégénérescence discale. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de développer à l’aide de la technique d’électrospinning un biomatériau non cellularisé dont la structure reproduit l’organisation fibreuse de l’AF natif. La capacité de ce biomatériau à promouvoir une infiltration spontanée de cellules de l’AF, leur orientation et le dépôt d’une matrice extracellulaire orientée, a ensuite été testée dans un modèle de culture d’explant d’AF de brebis. Enfin, la stimulation de la régénération de l’AF par ce biomatériau a été évaluée dans un modèle de défaut annulaire induit chez la brebis
The intervertebral disc is a fundamental component of the spine which plays an essential role in the mobility of the spine. It has been shown that 20% of chronic low back pain is related to a disc herniation, defined as the protrusion of the Nucleus pulposus (NP), through the Annulus fibrosus (AF), in the spinal canal that can induce the compression of a nerve root and cause radicular pain. Moreoever, lesions within the AF allow the entry of vessels and nerve endings that make the IVD itself painful, which is called "discogenic" pain. Currently, the surgical procedure used is partial discectomy, which consists in removing the herniated tissue, thus decompressing the nerve root involved in the radicular pain. Although short term efficiency has been proven, long-term clinical outcomes are questionable. Indeed, defects within the AF persist in time due to the limited intrinsic healing capacity of the AF and are associated with a 20% risk of reoccurrence of a disc herniation and lead to a 20% increase in the frequency of occurrence of disc degeneration. In this context, the objective of this thesis was to develop, using the electrospinning technique, a non-cellularized biomaterial whose structure reproduces the fibrous organization of native AF. Subsequently, the ability of this biomaterial to promote spontaneous infiltration of AF cells, their orientation and the deposition of an oriented extracellular matrix was tested in a sheep AF explant culture model. Finally, the stimulation of AF regeneration by this biomaterial was evaluated in an induced annular defect model in the sheep

Le travail présenté dans le manuscrit concerne la conception d'un dispositif médical de classe III pour des applications en ingénierie tissulaire du derme et du disque intervertébral.Il s'agit d'une solution aqueuse de chitosane, stérilisée par autoclave, et dont le pH et l'osmolarité ont été ajustés selon un procédé de dialyse classique. Cette solution possède des propriétés de gélification in situ innovantes, ce qui lui confère de très bonnes propriétés mécaniques quelques minutes après l'injection, sans l'utilisation d'agents de réticulation mais de façon modulable en fonction de la concentration en polymère. De plus, cette solution possède une bonne injectabilité favorisant le développement d'une technique d'implantation mini-invasive pour la régénération du derme et du disque intervertébral. Un critère de performance rhéologique a notamment été mis au point afin de relier l'injectabilité aux propriétés mécaniques de l'injectât (dermal filler).Les propriétés mécaniques de l'injectât gélifié doivent être comparables au tissu natif en particulier pour le dermal filler mais aussi pour le disque intervertébral. Le comportement mécanique viscoélastique du disque intervertébral a été évalué par des essais de relaxation de contraintes et modélisé avec un modèle de Maxwell solide à trois branches. Ces essais ont été conduits sur des disques sains, ayant subi une altération de structure (fenestration) et après l'injection de biopolymères.La solution de chitosane a été injectée (i) dans le tissu cutané de deux modèles animaux : le porc et le rat et (ii) dans le disque intervertébral de deux modèles animaux : le porc et le lapin. La biocompatibilité ainsi que la réponse biologique de solutions/gels physique de chitosane in vivo ont été validées pour tous ces modèles animaux
This work deals with the conception of a class III medical device for applications in tissue engineering of dermis and intervertebral disc.This device consists in an aqueous chitosan solution, sterilized by autoclaving, with pH and osmolality adjusted by a dialysis process. This chitosan solution shows in situ gelation ability with a post-injection increase of mechanical properties. This feature is related to polymer concentration, gelation time, and is performed without external cross-linking agent. In addition, the solution exhibits a good injectability allowing the development of minimally invasive techniques to treat dermis and intervertebral disc diseases. A rheological performance criterion was defined linking injectability to mechanical properties of the implant (dermal filler).Mechanical properties of gel implant formed in contact with body fluids, in situ, have to be similar to that of native tissues. The viscoelastic behavior characterization of intervertebral disc was performed using stress relaxation and was modeled using a generalized solid Maxwell model (composed of three Maxwell elements). The tests were performed on healthy disc, fenestrated discs and after biopolymers injection.Chitosan solutions were injected into (i) porcine and rat cutaneous tissue and (ii) porcine and rabbit intervertebral discs. The biocompatibility and biofunctionality of chitosan solutions and physical hydrogels was evidenced in vivo for all animals

50 % des douleurs dorsales chroniques sont associées à une dégénérescence du disque intervertébral (IVD). Nous avons émis l'hypothèse qu'un hydrogel biomimétique favoriserait la régénération du Nucleus Pulposus, la partie centrale de l’IVD, en fournissant des signaux physiques adéquats à des cellules souches mésenchymateuses (MSC) pour se différencier en nucléopulpocytes. Avec des teneurs différentes en acide hyaluronique fonctionnalisé (HA-Tyr), des hydrogels composites Collagène/HA-Tyr ont été synthétisés et caractérisés par microscopies électroniques à balayage et à transmission, rhéologie, DSC, par test de dégradation enzymatique in vitro accélérée et par tests de capacité à absorber l’eau. Des MSC ont ensuite été incorporées dans les composites Col/HA-Tyr, puis cultivées pendant 28 jours. La viabilité cellulaire a été évaluée, et leur différenciation en nucléopulpocytes analysée par PCR quantitative et par immunohistochimie indirecte. La présence de plusieurs marqueurs de différenciation des nucléopulpocytes, tels que le Collagène de type II, l'Agrécane et le KRT 18 a été suivie. Le processus de fabrication a permis la génération d'hydrogels hautement hydratés (> 90%), mécaniquement biomimétiques, résistants à la dégradation enzymatique et dans lesquels la fibrillogenèse du collagène a été préservée. En absence de facteur de différenciation, l’élasticité et la structure des hydrogels composites Col/HA-Tyr semble suffire pour induire la différenciation des MSC incorporées en nucléopulpocytes. Développée suivant une approche biomimétique, cette plateforme d'hydrogels composites Col/HA-Tyr parait donc prometteuse pour la régénération du disque intervertébral
Half of chronic back pain is associated with intervertebral disc (IVD) degeneration. We hypothesized that a biomimetic hydrogel would promote the regeneration of the Nucleus Pulposus, the central part of IVD. Hydrogels will provide cues to incorporated mesenchymal stem cells (MSC) to in situ differentiate into nucleopulpocytes. With different contents of functionalized hyaluronan (HA-Tyr), Collagen/HA-Tyr hydrogels were produced and characterized using scanning and transmission electron microscopy, rheology, DSC, accelerated in vitro enzymatic degradation and tested for their ability to absorb water. MSC were then incorporated within Col/HA-Tyr composites and cultured over 28 days. Cell viability was assessed and cell differentiation was analysed by quantitative PCR and indirect immunohistochemistry. The presence of several nucleopulpocytes differentiation markers, such as type II Collagen, Aggrecan and KRT 18 was monitored. The manufacturing process allowed the generation of highly hydrated hydrogels (> 90%), mechanically biomimetic, resistant against enzymatic degradation, in which collagen fibrillogenesis was preserved. Without any differentiation factor, both elasticity and structure of the Col/HA-Tyr composite hydrogels seems to be sufficient to induce the differentiation of the incorporated MSCs into nucleopulpocytes. In addition, the presence of collagen was necessary for an adequate cell adhesion. Developed according to a biomimetic approach, this platform of Col-HA-Tyr hydrogels appears promising for the intervertebral disc repair

La dégénérescence discale est généralement considérée comme le résultat de l'insuffisance chronique de la nutrition de ses cellules due à un déficit du renouvellement de la matrice extra-cellulaire. Des chargements mécanique excessifs et répétés sont parmi les principales causes créant des lésions dans les disques et à terme précipitent la dégénérescence discale. En modélisant le fonctionnement multi-physique du disque par un modèle quadriphasique couplé à un modèle métabolique des cellules, l'objectif de ce travail est d'aider à une meilleure compréhension du fonctionnement discal. Puis par une approche numérique, le lien entre sollicitation mécanique, nutrition et dégénérescence est étudié. Dans un premier temps, le disque a été représenté en 2D. L'effet d'un cycle nycthéméral simplifié sur les paramètres osmotico-mécaniques et nutritionnels du disque lombaire d'un sujet de corpulence normale et d'un sujet en surpoids ou portant des charges a alors été analysé. Dans un second temps, à travers une approche 3D, l'influence sur la fonction discale de mouvements rapides associés à la vie quotidienne, telles qu'une flexion, une flexion latérale et une rotation axiale, a été quantifiée. En outre, pour ces deux approches, une étude comparative a été réalisée afin d'étudier l'influence réelle de la convection par rapport à la diffusion dans le transport des nutriments. Ainsi, ce travail constitue une contribution à une meilleure compréhension de l'évolution spatiale et temporelle des nutriments et des paramètres osmotico- mécaniques du disque intervertébral, lorsque ce dernier est soumis à différents types de chargements
Disc degeneration is generally regarded as the result of chronic insufficiency of cell nutrition due to a lack of renewal of the extracellular matrix. Excessive and repeated mechanical loads are among the leading causes of injury in the disc and eventually precipitate disc degeneration. By modeling the multi-physics functioning of the disc by a quadriphasic model coupled with a metabolic model, the aim of this work is to contribute to a better understanding of the disc functions. With a numerical approach, the relationship between mechanical stress, nutrition and degeneration is studied. The disc was first represented in 2D. The effect of a simplified circadian cycle on the osmotico-mechanical and nutritional parameters of lumbar disc of a normal weight and overweight (or carrying loads) subjects was then analyzed. After that, through a 3D approach, the influence of the disc function towards rapid movements such as bending, lateral bending and axial rotation was quantified. In addition to these two approaches, a comparative study was conducted to investigate the real influence of convection compared to diffusion in the transport of nutrients. This work contributed to a better understanding of the spatial and temporal evolution of nutrients and osmotico-mechanical parameters of the intervertebral disc when it is subjected to different loadings

La dégénérescence des disques intervertébraux (DD) est un processus naturel qui touche une grande partie de la population. Toutefois, elle peut devenir pathologique et ainsi être accélérée par de multiples facteurs et conduire à un dysfonctionnement précoce des disques lombaires. La DD est un phénomène asymptomatique, ce qui le rend délicat à diagnostiquer précocement. Dans ce cadre, le présent travail vise à développer une méthodologie de diagnostic de la DD utilisant imagerie médicale et modélisation biomécanique.Les disques intervertébraux (DIV) sont des articulations fibro-cartilagineuses qui lient les vertèbres du rachis entre elles. Ils ont pour rôle de supporter et redistribuer les chargements appliqués au rachis tout en assurant sa mobilité. Le DIV peut être assimilé d’un point de vue mécanique à un milieu poreux biologique dont le squelette est formé par la matrice extracellulaire (MEC) et la phase fluide par son contenu hydrique. C’est un milieu hétérogène et anisotrope. Possédant une pression osmotique interne élevée, les DIV ne sont pas vascularisés et possèdent un contenu hydrique important dans lesquels les nutriments cellulaires diffusent à partir des vertèbres adjacentes. Cette particularité rend le fonctionnement des disques très dépendant de la régulation en eau en particulier lorsque ces derniers sont soumis à des sollicitations mécaniques non physiologiques.L’une des clés dans l’élaboration d’un diagnostic fiable de la DD peut être de déterminer de manière objective certaines des caractéristiques internes au disque relatives à son hydratation. Dans le présent travail, une méthodologie de diagnostic quantitatif de la viabilité discale et plus largement de la DD est ainsi proposée. Cette méthodologie se base sur un couplage entre l’imagerie médicale et l’analyse par modélisation du comportement biomécanique du DIV. Un modèle physique biphasique du DIV est développé à l’aide de données déduites d’images IRM. Ce modèle tient compte de l’anisotropie du DIV et des effets induits par les déformations mécaniques sur le processus de transport nutritif.La partie mécanique du modèle est tout d’abord validée en utilisant des résultats d’essais de relaxation réalisés précédemment par l’équipe de biomécanique d’IRPHE. Le modèle est à même de reproduire la distribution de la porosité à l’intérieur du DIV et la perte d’eau suite à un effort mécanique. Cela permet de confirmer la fiabilité de la méthodologie de diagnostic développée pour les cas étudiés. En intégrant le couplage mécano-métabolique, la réponse biomécanique du DIV à des chargements quasi statiques et cycliques est ensuite analysée
Intervertebral disc degeneration (DD) is a natural process affecting a large part of the population. However, it can be accelerated by several factors and then become associated to lumbar disc pathologies. Given that the DD is symptomless, it is complicated to diagnostic it early. In this context, the present work aims to develop a new methodology of DD diagnostic based on medical imaging and biomechanical modeling.The intervertebral discs (IVD) are fibro-cartilaginous joints that connect vertebrae together ensuring their relative motion. They support and distribute loads applied on the spine. Mechanically, the IVD can be assimilated to a biological porous media in which the solid phase is composed of the extracellular matrix (MEC) and the fluid phase is formed by water content. It is a non-homogeneous and anisotropic component. The IVD is nonvascularized and characterized by a high water content in which cell nutrients diffuses from the adjacent vertebrae. Given this latter particularity, the porosity of the IVD presents a key factor in in its functioning especially when exposed to mechanical non-physiological loads. One of the main keys in the elaboration of a reliable DD diagnostic is to determine objectively some of the IVD interne properties related to its water content. In the present work, a new quantitative methodology of DD diagnostic is proposed. This method is based on a coupling between the medical imaging and the IVD biomechanical behavior modeling. A biphasic IVD model is developed using data from MRI imaging. This model takes into account the anisotropy of the IVD and the effect of the mechanical deformation on the nutrient transport process.The mechanical part of the developed model was firstly validated using results of relaxation tests previously performed by the biomechanics staff of IRPHE. The model is able to predict water distribution within the IVD and the water loss as response to a mechanical load. These results confirm the reliability of the developed diagnostic methodology for the studied cases. The biomechanical response to quasi-static and cyclic loads is then analyzed. The present work proposes and evaluates a new methodology of DD quantitative diagnostic. It also analyzes and compares mechanical and metabolic responses to quasi-static and cyclic loads

Les affections de la colonne sont la principale source de handicap mondiale. Leur impact sur les systèmes de santé et sociaux est monumental dans les pays occidentaux et sans doute négligé dans les pays en voie de développement. Bien que traditionnellement considéré comme non spécifique, il est possible dans certains cas de définir des sources anatomo-pathologiques responsables de la douleur des patients. Parmi elles, se trouve les fissures radiales de l’annulus fibrosus du disque intervertébral. Cette lésion structurelle à de nombreuses conséquences sur la biologie et la mécanique du disque intervertébral, pouvant conduire à une dégénérescence de la structure. Dans cette thèse nous nous intéressons aux déplacements et aux déformations du Nucleus Pulposus rendu plus importantes du fait de la brèche de l’annulus. McKenzie a émis l’hypothèse d’un nucleus mobile dans la fissure. Ces déformations / déplacements sont dépendants des forces imposées sur l’unité fonctionnelle par les mouvements physiologiques du rachis. Ainsi une flexion déplace / déforme le nucleus vers l’arrière, une extension vers l’avant et ainsi de suite. Afin de tester la pertinence de cette hypothèse, nous utilisons une approche quadruple, incluant :- Une revue systématique de la littérature avec une méta-analyse.- Une approche ex vivo, combinant IRM quantitative et analyse photomécanique.- Une approche in vivo d’analyse quantifié de mouvement.- Une approche in silico de modélisation par éléments finis.Nos résultats, quoique préliminaires, semblent confirmer cette hypothèse. Mais, nous sommes encore loin d’une validation ferme et définitive. D’autres recherches seront nécessaires pour finaliser cet objectif
Spinal disorders are the leading cause of disability worldwide. Their burden onto healthcare and social system is enormous in the western countries and it is probably neglect in developing nations. Although define as a non-specific affection, it is sometimes possible to identify patho-anatomical sources leading to the patient pain. Among them, we can find the radial fissure of the annulus fibrosus. This structural lesion triggers a cascade of biological and mechanical events which could lead to the defervescence of the disc. In this thesis, we look closer to the bigger strain /displacement of the nucleus pulposus making possible by the breach of the annulus. McKenzie hypothesize a mobile nucleus into the fissure. These strains / displacements depend on the force imposed onto the spinal functional unit by the physiological movement of the spine. Thus, a flexion strains / displaces the nucleus backward, an extension frontward and so on. To test the relevance of this hypothesis, we used a fourfold approach, including:- A systematic review of the literature with a meta-analysis.- An ex vivo approach, combining quantitative MRI and photomechanical analysis.- An in vivo approach of quantified movement analysis.- An in silico approach of finite elements modelization.Our result, despite being provisory, seems to confirm this hypothesis. But, we are far from a firm and definitive validation. Other researches are needed to finalize these goals

L'objectif de cette étude concerne l'élaboration d'un matériau bioactif à très haute performance mécanique destiné à fabriquer une prothèse de nucleus pulposus. La première phase des travaux décrit l'élaboration d'un élastomère de polyuréthane original qui constitue la partie centrale biostable et mécaniquement résistance de la prothèse partielle de disque intervertébral. Après l'optimisation de la formulation de polyuréthane retenue par incorporation d'additifs, des essais de biostabilité normalisés ont permis d'évaluer sa résistance à la dégradation hydrolytique et oxydative. Le développement d'une enveloppe chargée avec des principes actifs extraits d'une substance végétale naturelle connus pour stimuler la régénérescence du collagène, composant fondamentale du disque intervertébral humain, constitue la seconde phase de l'étude. La mise au point d'une méthode de dosage du principe actif par chomatographie liquide à haute performance a permis de définir sa cinétique de libération en milieu physiologique.

La lombalgie discogénique est un problème médico-éconornique majeur pour lequel l'ingénierie tissulaire représente un espoir thérapeutique. La mise en application de cette technologie nécessite de disposer de nouveaux outils d'évaluation de la dégénérescence discale et d'un modèle animal. Le disque intervertébral est un tissu fibro-cartilagineux dont la composition, qui dégénère très précocement, lui confère des propriétés biomécaniques permettant l'absorption et la transmission des contraintes. Deux outils potentiels semblent intéressants afin d'évaluer l'altération des caractéristiques discales: en premier lieu l'analyse des propriétés visco-élastiques, en second lieu l'utilisation de la spectroscopie IRTF qui apporte un reflet de la composition moléculaire. Ces outils ont été étudiés sur des disques de lapins d'âges différents ainsi que sur des disques humains prélevés sur sujets cadavériques. L'étude des propriétés visco-élastiques a été rendue difficile par leur variabilité d'un disque à l'autre. La spectroscopie révèle la présence de groupements chimiques caractéristiques du début de la dégénérescence discale. Parallèlement, un modèle animal de dégénérescence discale a été développé chez le lapin de race NZW et basé sur l'utilisation d'un laser en intradiscal. Cette technique permet d'induire une dégénérescence discale progressive avec des caractéristiques proches de la dégénérescence spontanée. L'utilisation des disque intervertébraux de lapins et de cadavres a permis de mettre en évidence le potentiel de ces techniques, mais ces modèles ont des limites de taille ou de disponibilité qui nous conduiront à les développer sur un modèle plus adapté comme la brebis
InterVertebral Disc (lVD) degeneration probably represents the first cause of low back pain for which tissue engineering seems to be a clinically promising approach. Implementation of this technology implies the availability of new tools for assessing IVD degeneration and a suitable animal model IVD is a fibrocartilaginous tissue consists of a complex extra-cellular matrix playing a critical role as "shock absorber". Two new tools seem interesting in order to characterize IVD degeneration. First the study of visco-elastic properties, second the use of FTIR spectroscopy which provides a representation of the biochemical composition. These tools have been studied in rabbit IVDof different ages and in human IVD from cadavers. The study of visco-elastic properties is made difficult by their variability. Infrared spectroscopy reveals some chemical groups characterizing incipient IVD degeneration. A new animal model has also been developed in NZW rabbits, based on a laser treatment of IVD. This process allows to induce a progressive IVD degeneration, similar to spontaneous one. Use of rabbit and cadavers IVD has shown the interest of those techniques despite difficulties with size and disponibility. These points will lead us to use a more adapted animal like sheep

Les douleurs lombaires touchent 80% de la population au moins une fois dans la vie et constituent un véritable problème de santé publique pour nos sociétés modernes industrialisées. Ces douleurs lombaires sont, dans la grande majorité des cas, la conséquence clinique d'une atteinte des articulations vertébrales marquée par une dégénérescence progressive des disques intervertébraux. La connaissance des mécanismes menant à cette dégénérescence discale sont aujourd’hui de mieux en mieux connus et laisse envisager une prise en charge étiologique, et non plus uniquement symptomatique. Les premiers résultats concluants en ingénierie tissulaire du cartilage articulaire associés à l'existence de points communs entre le cartilage articulaire et le disque intervertébral laissent suggérer la possibilité de régénérer ce dernier, et en particulier le Nucleus pulposus (élément central du disque intervertébral), par ce même type d'approche. Le principe de cette approche est basé sur l'utilisation de cellules associées à un biomatériau. L'ensemble est injecté au sein d'un disque dégénéré afin de le restaurer. Un état des avancées actuelles dans ce domaine est réalisé et les différentes problématiques rencontrées au cours de la mise en œuvre de ce type de projet sont abordées. Il s'agit notamment du choix des cellules à injecter et des matrices associées, des conditions de culture adéquates, ainsi que du choix des méthodes d'évaluation et des modèles animaux
Low back pain affects 80% of the population at least once during life and constitutes a public health problem for our modern industrialized societies. Usually, they are the consequences of the intervertebral disc degeneration. Currently, the knowledges about mechanisms leading to this disc degeneration are well understood and allow to define new targets to treat the origin of the intervertebral disc degeneration. The first promising results in tissue engineering of articular cartilage associated with the existence of similarities between articular cartilage and intervertebral disc allow to considered the same approach to treat the intervertebral disc. The principle of this approach is based on the use of cells associated with a biomaterial and the substitute is injected into the degenerated disc. An update of current advances in this area is achieved and the various problems encountered during the development of such projects are discussed. These include the choice of cells and scaffolds injected, the choice of appropriate culture conditions, and the choice of evaluation methods and reliable animal models

Les disques intervertébraux (DIV) sont composés d'une partie centrale appelée le Nucleus pulposus (NP). Cette partie centrale est peuplée de cellules notochordales (CNT), considérées comme les cellules progénitrices du NP et de nucléopulpocytes (NPCytes), responsable de la synthèse de la matrice extracellulaire. L'ensemble des cellules du NP est issu de la notochorde embryonnaire. La disparition précoce des CNT et NPCytes est associée à l'apparition des premiers signes de dégénérescence discale entraînant des lombalgies. Ainsi, supplémenter le NPen CNT et NPCytes produits à partir de cellules souches humaines pourrait être une approche prometteuse pour la médecine régénératrice du DIV. Dans ce contexte, ce travail de thèse a consisté à différencier des cellules souches pluripotentes induites (iPSC) humaines en CNT. Les connaissances acquises sur les mécanismes moléculaires et cellulaires à l'origine de la formation de la notochorde chez l'embryon de souris ont été transposées à l'utilisation des iPSC. La capacité de différenciation des cellules souches mésenchymateuses en NPCytes a également été investigué. Ainsi, ces travaux de thèse ont permis de générer des CNT embryonnaires et NPCytes à partir de cellules souches adultes humaines. De plus, l'étude des mécanismes moléculaires impliqués dans ces voies de différenciation a été réalisée. Ces travaux de thèse ont ainsi contribué à améliorer la médecine régénératrice du DIV, en générant des cellules potentiellement capables de restaurer l'homéostasie et la fonction du NP
Intervertebral discs (IVD) are composed of a central part named Nucleus pulposus (NP). This Nucleus pulposus is populated by notochord cells (NCT), which are considered as NP cell progenitors and nucleopulpocytes I (NPCytes), responsible for extracellular matrix synthesis. Both cell types are derived from the embryonic notochord. The loss of NCT and NPCytes early in life is associated with first signs of disc degeneration. Thus, the supplementation of the degenerative NP with human stem cells- derived NCT and NPCytes could be a promising approach for the regenerative medicine of IVD. In this context, this work aimed at the establishment of a notochordal differentiation protocol from human induced pluripotent stem cells (iPSC). Molecular and cellular mechanisms involved in the formation of the notochord in mice embryos were transposed to iPSC technology. To address whether NPCytes can be generated, we investigated the abilities of human mesenchymal stem cells to differentiate toward nucleopulpogenic lineage. In summary, we have shown that NCT and I NPCytes can be generated by controlling I human stem cells differentiation. In addition, molecular mechanisms driving both differentiation processes have beendescribed. Finally, these findings contributed to the regenerative medicine of IVD, by generating cells potentially able to restore NP homeostasisand function

L'objectif de la thèse était d'évaluer les liens entre propriétés biomécaniques et imagerie rachidienne. A cette fin, un protocole expérimental in vitro a été mis en oeuvre sur 22 disques intervertébraux lombaires humains. Des essais caractérisant la mobilité sous charge, la viscoélasticité et la réponse dynamique des disques ont été réalisés, tandis que des radiographies, discographies et coupes IRM ont été recueillies. Les disques ont fait l'objet d'analyses macroscopiques et chimiques. Des modèles rhéologiques ont été développés. Enfin, des images radiographiques en double énergie ont été reconstruites. Trois grandes classes de caractéristiques ont été extraites des images: les grades de dégénérescence issus de trois modalités différentes, la géométrie et les singularités pathologiques. Pour chaque sollicitation, leurs effets ont été recherchés. Les anomalies de type scoliose ou calcifications de grande taille affectaient fortement la mobilité. Après exclusion des spécimens les plus pathologiques, des relations entre amplitudes de mobilité et géométrie (hauteur et surface) ont pu être mis en évidence. Fluage, relaxation et hystérésis étaient liés, et principalement affectés par la dégénérescence. Peu de caractéristiques disponibles influaient le comportement dynamique. Enfin, le numéro atomique équivalent du disque intervertébral a pu être mesuré grâce à la radiographie en double énergie, et partiellement validé par l'analyse chimique. Ainsi cette thèse a permis de quantifier, à l'aide de l'imagerie, certains aspects du comportement biomécanique du disque intervertébral.

L'objectif de la thèse était d'évaluer les liens entre propriétés biomécaniques et imagerie rachidienne. A cette fin, un protocole expérimental in vitro a été mis en oeuvre sur 22 disques intervertébraux lombaires humains. Des essais caractérisant la mobilité sous charge, la viscoélasticité et la réponse dynamique des disques ont été réalisés, tandis que des radiographies, discographies et coupes IRM ont été recueillies. Les disques ont fait l'objet d'analyses macroscopiques et chimiques. Des modèles rhéologiques ont été développés. Enfin, des images radiographiques en double énergie ont été reconstruites. Trois grandes classes de caractéristiques ont été extraites des images: les grades de dégénérescence issus de trois modalités différentes, la géométrie et les singularités pathologiques. Pour chaque sollicitation, leurs effets ont été recherchés. Les anomalies de type scoliose ou calcifications de grande taille affectaient fortement la mobilité. Après exclusion des spécimens les plus pathologiques, des relations entre amplitudes de mobilité et géométrie (hauteur et surface) ont pu être mis en évidence. Fluage, relaxation et hystérésis étaient liés, et principalement affectés par la dégénérescence. Peu de caractéristiques disponibles influaient le comportement dynamique. Enfin, le numéro atomique équivalent du disque intervertébral a pu être mesuré grâce à la radiographie en double énergie, et partiellement validé par l'analyse chimique. Ainsi cette thèse a permis de quantifier, à l'aide de l'imagerie, certains aspects du comportement biomécanique du disque intervertébral.

Ce travail de thèse a pour ambition d'apporter une contribution à l'étude de la croissance du disque intervertébral. Il s'inscrit dans un projet de recherche qui vise à développer de nouveaux outils prédictifs afin d'améliorer le traitement de pathologies liées au phénomène de croissance des cartilages et des fibrocartilages. Un second objectif est d'apporter des éléments de compréhension qui pourraient être utiles pour le développement de techniques novatrices d'ingénierie tissulaire.La première partie expérimentale de ce travail consiste en l'identification de propriétés mécanique quasi-statique de l'annulus fibrosus du disque intervertébral, au travers d'une loi de comportement hyperélastique anisotrope, ainsi que d'un champ de déformations résiduelles présent au sein de l'annulus fibrosus, par le biais d'un outil de corrélation d'images numériques. Cette double identification permet à la fois d'estimer le champ de contrainte in vivo de l'annulus fibrosus, mais aussi d'obtenir une trace historique du processus de croissance qui nous servira de référence dans la suite de l'étude.La prise en compte des déformations résiduelles dans un modèle numérique d'annulus fibrosus a permis de constater l’homogénéisation spatiale des déformations lors de chargements physiologiques. Ces résultats soulignent l’importance de la considération des déformations résiduelles dans l’estimation des déformations et des contraintes subies in vivo par l’annulus fibrosus.De plus, un scénario de croissance de l'annulus fibrosus associé à deux critères mécaniques générateurs de croissance ont aussi été implémentés en utilisant la méthode des éléments finis. Les résultats de cette étude numérique n'ont pas permis de reproduire le champ de déformations résiduelles estimé expérimentalement. Seul le modèle de croissance utilisant un critère mécanique anisotrope prenant en compte la direction des fibres présentes dans l’annulus fibrosus et dans le cas d’un chargement omettant volontairement un chargement vertical sur l’annulus fibrosus a permis de reproduire qualitativement les déformations résiduelles tangentielles mesurées expérimentalement.Afin de compléter la compréhension du phénomène de croissance du cartilage, une étude biomécanique d'un modèle in vitro de cartilage de synthèse a mis en évidence l'impact du facteur de croissance TGF-beta3 sur la rigidité de la matrice extra-cellulaire. Une corrélation forte entre les expressions géniques des cellules de cartilage et les propriétés mécaniques de la matrice extra-cellulaire a été trouvée. Cette corrélation forte entre l’activité cellulaire et la rigidité de la matrice extra-cellulaire, couplée à la difficulté des modèles de croissance actuels uniquement basés sur des critères mécaniques, ouvre d’intéressantes perspectives d’études sur la compréhension du phénomène de croissance sous contrainte mécanique. L'étude approfondie de cet échantillon permettra à terme d'enrichir les modèles de croissance afin de prendre en compte les différents phénomènes physiques présent au sein des tissus biologiques
This thesis aims to contribute to the study of the intervertebral disc growth. It is a part of a global reasearch program which focuses on the development of new predictive tools to improve treatments related to cartilage and fibrocartilage growth phenomenon pathologies. A second objective is to provide elements of understanding that could be useful for the development of innovative tissue engineering technics.The first experimental part of this work consists in the identification of quasi-static mechanical properties of the annulus fibrosus of the intervertebral disk, through an anisotropic hyperelastic constitutive law, as well as a residual strains field present within the annulus fibrosus, through a digital image correlation tool. This double identification makes it possible both to estimate the stress field in vivo of the annulus fibrosus, but also to obtain a historical trace of the growth process which will serve us as a reference in the rest of the study.We note the spatial homogenization of the deformations during physiological loadings when residual strains field is take into account in a numerical model of annulus fibrosus. These results underline the importance of the consideration of residual strains in the estimation of the deformations and stresses undergone by the annulus fibrosus.In addition, a growth scenario of the annulus fibrosus associated with two mechanical growth criterias has also been implemented using the finite element method. The results of this numerical study did not make it possible to reproduce the residual strains field estimated experimentally. Only the growth model using an anisotropic mechanical criterion taking into account the fibers direction present in the annulus fibrosus and in the case of a deliberately omitted load in the vertical direction on the annulus fibrosus has made it possible to qualitatively reproduce the tangential residual strains measured experimentally.In order to complete the understanding of cartilage growth, a biomechanical study of a synthetic in vitro cartilage model revealed the impact of the TGF-beta3 growth factor on the extracellular matrix cartilage stiffness. A strong correlation between the cartilage cell gene expressions and the mechanical properties of the extracellular matrix was found. This strong correlation between cellular activity and the rigidity of the extracellular matrix, coupled with the difficulty of the current growth models based solely on mechanical criteria, opens up interesting prospects for studies on the understanding of the phenomenon of growth under mechanical stimulus. In-depth study of this sample will eventually enrich the growth models to take into account the different physical phenomena present in biological tissues

La lombalgie liée à la dégénérescence du disque intervertébral (DIV) est un problème majeur de santé publique touchant une large proportion de nos populations vieillissantes. Actuellement, la prise en charge de cette maladie est essentiellement symptomatique mais grâce à de récentes découvertes, les processus de dégénérescence discale sont aujourd'hui mieux compris. Ces nouvelles connaissances permettent d'envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques. Parmi ces stratégies et afin de répondre aux stades précoces de cette maladie, une attention particulière est portée sur les stratégies impliquant l’injection intradiscale de facteurs de croissance tels que le GDF-5 ou le TGF-β1, ciblant les processus de dégénérescence du DIV. En dépit de résultats encourageants concernant la sécurité d’utilisation et la tolérance clinique de ces facteurs de croissance, leur efficacité clinique doit encore être amélioré. Pour cela, l’utilisation de biomateriaux permettant une libération prolongée et la protection des facteurs de croissance, présente un intérêt majeur. Ce travail de thèse a donc pour objectif le développement de systèmes à libération prolongée de ces deux facteurs de croissance. Pour ce faire, deux biomatériaux ont été étudiés : les nanofibres de silice et les microbilles de pullulane. Pour ces deux matériaux, leurs synthèses et caractérisations ont été réalisées avant de s'intéresser à leur potentiel d'adsorption et de libération des facteurs de croissance. Les résultats obtenus sont tres encourageants puisqu’ils montrent une libération prolongée jusqu’a 28 jours in vitro avec un maintien de l’activité biologique des facteurs de croissance libérés. L’ensemble des données de cette thèse suggère le potentiel prometteur des systèmes présentés pour le développement de stratégies innovantes pour la médecine régénératrice DIV
Low back pain caused by the intervertebral disc (IVD) degeneration is a major health concern affecting a large proportion of our aging populations. While current treatments of this disease are mainly symptomatic, recent discoveries have allowed a better understanding of the degenerative processes and new therapeutic strategies have been envisioned. Among these strategies, there is a growing interest for approaches aiming a tackling early stages of this disease, involving the intradiscal injection of growth factors such as GDF-5 or TGF-β1, able to target IVD degenerative processes. However, despite encouraging results regarding the safety and clinical tolerance of these growth factors, their clinical efficacy has to be further improved. To this end, the use of biomaterials allowing the sustained release and the protection of growth factors is of particular interest. The objective of this thesis is thus to develop systems able to deliver these two growth factors in a long period of time. Therefore, two biomaterials were studied: silica nanofibers and pullulan microbeads. For both materials, their syntheses and characterizations were studied, as well as their potential use for growth factors adsorption and release. Promising results were obtained demonstrating a sustained release for up to 28 days in vitro, while maintaining the released growth factors biological activity. Altogether, these data suggest that these newly designed systems may be promising candidates for the development of innovative strategies for the IVD regenerative medicine

Le disque intervertébral est principalement composé de deux types de tissu : le nucleus pulposus au centre contenu par l'annulus fibrosus en périphérie.Le nucleus est relativement bien décrit dans la littérature contrairement à l'annulus dont la constitution bi-phasique couplée à une structure à fibres orientées reste délicate à modéliser. La caractérisation hydro-chimio-mécanique représente un point clé dans la compréhension des phénomènes qui régissent le comportement de l'organe.Pour répondre au manque d'information, deux axes de travail sont mis en place : expérimental et numérique.La réalisation de tests de traction cyclique associés à des techniques de corrélation d'images permet de fournir une base de données complète du comportement.Elle est ensuite utilisée pour identifier un modèle hydro-chimio-mécanique qui traduit le comportement non-linéaire, anisotrope, dissipatif ainsi que la sensibilité aux variations d'environnement chimique du tissu observés expérimentalement.L'intérêt majeur de cette méthode est l'identification simultanée de l'ensemble des paramètres du modèle au cours de sollicitations proches des conditions physiologiques sur chacune des éprouvettes.Ce protocole réduit ainsi les incertitudes liées aux variabilités inter-individus et inter-localisations pour obtenir des valeurs de paramètres plus fiables.La formulation identifiée permettra de proposer un modèle compréhensif des transferts de fluide impliqués dans les processus de nutrition cellulaire.Ce sujet s'intègre dans une réflexion plus large relative à la compréhension des couplages hydro-chimio-mécaniques dans les tissus biologiques.L'enjeu est de quantifier l'impact des stimuli mécaniques sur l'évolution des tissus humains et leur adaptation aux conditions environnementales.

Le comportement mécano-biologique du segment vertébral, sain et pathologique, est un problème complexe. La préoccupation clinique première de notre travail concerne la pathologie du rachis chez l'enfant et notamment la scoliose idiopathique de l'adolescent. L'hypothèse centrale a été que la modification de nutrition et d'homéostasie des disques pouvait être associée à une perturbation du transport convectif au niveau du plateau vertébral. Nous avons développé, à partir de modèles animaux, une démarche de recherche progressive, associée dans son questionnement à la problématique clinique chez l'enfant. L'étude bibliographique préliminaire a permis de mettre en évidence le rôle significatif des transports de masse (fluides, protéines, nutriments) dans le développement sain et pathologique du rachis. Ceci a abouti aux quatre points clés de la stratégie de recherche: variabilité topographique de la perméabilité, influence du sens de flux, rôle de la croissance et influence d'une perturbation mécanique associé à une courbure imposée. Dans la deuxième partie, une méthode originale de mesure de perméabilité macroscopique d'échantillons de tissus biologiques a été développée puis évaluée sur un modèle animal porcin. Cette étude a montré que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral n'était pas uniforme, la zone centrale étant plus perméable que la périphérie. L'étude microscopique associée a montré une corrélation entre l'augmentation de la perméabilité et la diminution des épaisseurs de cartilage. Dans un troisième temps, l'évolution des perméabilités de plateaux vertébraux a été mesurée sur un modèle animal ovin en croissance normale. Il a été mis en évidence une diminution de la perméabilité macroscopique du plateau vertébral avec la maturation des tissus. Le flow-out, (exsudation de fluide hors du disque), a été associé à des perméabilités plus grandes qu'en flow-in (réhydratation du disque). Il est apparu que la séquence des tissus constitutifs et leurs propriétés intrinsèques (porosité, tortuosité évolutive) pouvaient modifier la perméabilité macroscopique du plateau vertébral. En dernier lieu, un modèle de croissance asymétrique de segment (épiphysiodèse en L1-L2) a été mis en place sur un modèle animal porcin. .
The mechano-biological behaviour of the healthy or pathological vertebral segment is a complex problem. The clinical concern of our work related to the idiopathic scoliosis in adolescent. The central assumption was that the modification of nutrition and homeostasis of the intervertebral disc could be associated to a disorder of the convective transport through the vertebral end plate. We designed a progressive research based on experimental animal models keeping in mind the clinical relevance of our approach. The preliminary bibliographical study highlighted the significant role of mass transport (fluids, proteins, nutrients) in the physiological and pathological growth of the spine. This allowed four key points of our strategy to be defined: geometrical variability of the permeability, influence of the fluid-flow direction, role of the growth and influence of a mechanical disturbance associated to an imposed curve. In the second part of the study, an original method of measurement of the macroscopic permeability has been developed then evaluated in a porcine animal model. This study showed that the macroscopic permeability of the vertebral plate was not uniform, the central zone being more permeable than the periphery. Associated microscopic study demonstrated a correlation between the permeability increase and the reduction of cartilage thickness. Third, the variation of the vertebral plate permeability during growth was measured in the ovine animal model. We highlighted a decrease of the macroscopic permeability with tissue maturation. Flow-out, (exudation of fluid from the disc), showed greater permeability than flow-in (disc rehydration). It appeared that the sequence of constitutive tissue and their intrinsic properties (porosity, evolutive tortuosity) could modify the macroscopic permeability of the vertebral plate. .

L’altération des protéines matricielles et le processus inflammatoire conduisent à la dégénérescence du cartilage ou du disque intervertébral avec perte de fonction biomécanique. Ceci peut être contrecarré par une inhibition de la signalisation du stress et/ou par la stimulation de facteurs endogènes tels que HO-1. Nous avons comparé la signalisation du stress mécanique et cytokinique dans des chondrocytes in vitro. Les 2 diminuent la production des protéines matricielles, mais le stress mécanique agit via NO plutôt que par l’induction des métalloprotéases. NOS I et III sont impliquées. IL-10 et un stress mécanique doux atténuent les effets de IL-1beta en diminuant la production de NO et PGE2. Comme le stress mécanique et IL-10 induisent HO-1, nous avons étudié les effets de l’induction de HO-1 dans un modèle in vivo d’arthrite inductible. HO-1 diminue l’ensemble des symptômes ces derniers sont supprimés par un co-traitement avec un siARN anti HO-1.

Le disque intervertébral est probablement le plus extraordinaire des tissus du vivant, principalement en raison de propriétés inhabituelles dépendantes du temps, fortement influencées par l'environnement biochimique et par la charge mécanique appliquée. L'établissement de relations structure-propriété précises pour le tissu de l’annulus fibrosus du disque intervertébral est fondamental afin d’obtenir une modélisation fiable de la colonne vertébrale humaine. La difficulté provient de la multi-axialité et de l'anisotropie de la réponse tissulaire ainsi que de la dépendance régionale d'une structure hiérarchique complexe interagissant avec l'environnement biochimique. De plus, l’annulus fibrosus présente un comportement transversal unique dépendant du temps pour lequel une représentation constitutive complète n'est pas encore développée. Un modèle constitutif chimio-viscoélastique à base physique prenant en compte l’architecture de l’annulus fibrosus et son environnement biochimique a ainsi été proposé. Des modèles numériques d'échantillons de l’annulus fibrosus et d'unités vertébrales fonctionnelles lombaires (disque et vertèbres adjacentes) ont été développés en tenant compte de la matrice interlamellaire reliant les lamelles renforcées de fibres. A l'échelle de l'échantillon, les capacités du modèle sont vérifiées par des comparaisons avec des observations expérimentales pour diverses conditions en termes d'osmolarité, de vitesse de déformation et de multi-axialité tout en considérant la dépendance régionale. Nos résultats démontrent le rôle déterminant de la matrice interlamellaire dans la réponse multi-axiale du disque. Les différents scénarios appliqués aux unités lombaires démontrent les capacités prédictives multi-axiales encourageantes de notre approche, ce qui en fait un outil prometteur pour la prédiction à long terme du comportement de la colonne vertébrale humaine, y compris la dépendance à l'âge
The intervertebral disc is probably the most extraordinary tissue that the nature produces, mainly for its unusual time-dependent properties strongly influenced by the biochemical environment and the applied mechanical loading. Establishing accurate structure-property relationships for intervertebral disc annulus fibrosus tissue is a fundamental task for a reliable computer simulation of the human spine. The difficulty emanates from the multi-axiality and the anisotropy of the tissue response along with regional dependency of a complex hierarchic structure interacting with the biochemical environment. In addition, the annulus fibrosus exhibits an unusual time-dependent transversal behavior for which a complete constitutive representation is not yet developed. A physically-based chemo-viscoelastic constitutive model that takes into account an accurate disc annulus structure in relation with the biochemical environment is proposed. Numerical models of annulus specimens and lumbar functional spinal units (one disc and the adjacent vertebrae) are designed while taking into consideration the interlamellar matrix connecting the fibers-reinforced lamellae. At the specimen scale, the model capabilities are verified by experimental comparisons under various conditions in terms of osmolarity, strain-rate and multi-axiality while considering the regional dependency. Our results highlight the determinant role of the interlamellar matrix in the disc multi-axial response. The different scenarios applied to lumbar units show encouraging multi-axial predictive capabilities of our approach making it a promising tool for human spine behavior long-term prediction including age-dependency

La dégénérescence discale lombaire (DDL) est caractérisée par un vieillissement prématuré du disque intervertébral (DIV) et une déshydratation progressive du nucleus pulposus (NP) entrainant in fine des lombalgies. L'objectif général de ce travail est d'établir des données précliniques afin de régénérer le DIV en cas de DDL modérée. Dans un premier chapitre, nous avons déterminé une association de facteur de croissance et un mode de culture visant à obtenir une prédifférentiation nucléopulpogénique de cellules stromales mésenchymateuses (CSMs) humaines issues de la moelle osseuse. Nos résultats montrent que la culture tridimensionnelle des CSMs en billes d'alginate en présence de TGF-β3, GDF-5 et BMP-7 les oriente vers un phénotype cartilagineux. Dans un deuxième chapitre, nous avons élaboré un modèle porcin de DDL induite par cryolésion et nous l'avons comparé aux techniques de référence. L'évaluation de l'importance de la DDL a été effectuée par scanner, IRM et histologiquement. Un score histologique de DDL porcine a été décrit et validé. La cryolésion a permis d'obtenir une DDL plus importante que les autres techniques. Dans un troisième chapitre, nous avons injecté les CSMs préorientées dans les DIV lésés. L'analyse IRM a montré une amélioration de l'intensité du signal et de la surface du NP après injection des cellules. L'analyse immunohistologique a montré une survie des CSMs dans les DIV porcins à 2 mois. Dans un quatrième chapitre, nous avons comparé les taux de fusion et de complication pour la RhBMP-2 et la greffe spongieuse autologue dans les arthrodèses lombaires par voie antérieure dans une même cohorte de patients. La RhBMP-2 était associée à un taux de fusion inférieur et un taux de complications radiologiques supérieur à l'autogreffe spongieuse
Degenerative disc disease (DDD) is characterized by premature aging of the intervertebral disc (IVD) and gradual dehydration of the nucleus pulposus (NP), ultimately causing back pain. The general objective of this work is to establish preclinical data to regenerate the IVD in moderate DDD. In the first chapter, we have identified a growth factor association and a culture method to achieve nucleopulpogenic prédifférentiation of mesenchymal stromal cells (MSCs) derived from human bone marrow. Our results show that the three-dimensional culture of MSCs in alginate beads in the presence of TGF-β3, GDF-5 and BMP-7 directs them to a cartilaginous phenotype. In the second chapter, we developed a porcine model of DDD, induced by cryoinjury, and compared it to reference techniques. Assessing the importance of DDD was performed by CT, MRI and histologically. A histological score of porcine DDD has been described and validated. Cryoinjury yielded a higher DDD that other techniques. In a third chapter, we injected preoriented MSCs in cryo-injured IVDs. MRI analysis showed an improvement in the signal intensity and the surface of the NP after the injection. The immunohistological analysis showed a survival of the MSCs in the porcine IVD 2 months after injection. In a fourth chapter, we compared the rate of fusion and complication for rhBMP-2 and autologous cancellous graft in the anterior lumbar interbody fusion, in the same cohort of patients. RhBMP-2 was associated with a lower fusion rate and a higher rate of radiological complications than the cancellous autograft

La plaque cartilagineuse (PC), limite anatomique entre disque intervertébral (DIV) et vertèbre, est étroitement impliquée dans le métabolisme du DIV qui devient avasculaire chez l'adulte. Son importance physiopathologique et clinique réside dans son rôle potentiel dans la pathogénie de la dégénérescence discale (DD). La perméabilité de la PC décroissant avec l'âge, la diminution des apports métaboliques au DIV pourrait être un facteur clé dans la genèse de sa dégénérescence. Si la perméabilité de la PC a été bien étudiée, ses caractéristiques morphologiques, qui conditionnent son rôle métabolique potentiel, et leurs modifications selon l'âge l'ont été beaucoup moins, de même que les relations entre dégénérescence de la PC et du DIV. Après une synthèse des connaissances sur la PC et l'étiopathogénie de la DD, cette thèse présente les résultats des travaux de recherche conduits sur des PC vertébrales humaines. Sur une série de cinquante rachis lombaires cadavériques a été réalisée une étude systématique des caractéristiques morphométriques et morphologiques des pc. Aucune différence statistiquement significative entre les paramètres étudiés et les différents groupes d'âge d'une part, et d'autre part entre le degré de dégénérescence de la PC et celui du disque correspondant n'a été constatée, ce qui indique que le rôle de la PC dans la pathogénie de la DD est probablement à nuancer. Le développement des plaques cartilagineuses, la vascularisation discale et une étude ultrastucturale ont fait de plus l'objet d'un travail spécifique. Enfin, la place de l'articulation intervertébrale disco-somatique en syndesmologie, place conditionnée notamment par ses plaques cartilagineuses, est discutée à la lumière de l'ensemble de ces éléments
The cartilaginous end-plate (CEP) is the anatomic limit between the vertebra and the intervertebral disc (IVD). Since the latter is avascular in adults, the CEP is supposed to play a key role in the metabolism of the IVD. Consequently, it has been postulated that the decrease in permeability of the CEP is the main cause of disc degeneration. However, the permeability depends at least partially on the morphological state of the CEP, and few studies have been carried out on this subject. In addition, little is known about the age-related changes of the CEP compared to those of the IVD. After a review of the literature dealing with the CEP and the pathogenesis of disc degeneration, the results of research works on the CEP are presented. The objectives of the main study were to examine the CEP of fifty intervertebral disks of human lumbar spines, to classify the age-related changes in both CEP and IVD, and to compare them. No significant difference was found with regard to these features in the different age groups and no significant correlation was found between the morphological grade of the CEP and that of the IVD, suggesting that the importance of the CEP in disc degeneration is open to debate. The development, the vascular supply and the ultrastucture of the IVD were also studied. Finally, the value of comparing the human joint of vertebral bodies to a diarthrodial joint is discussed in the light of these different points of view

La dégénérescence du disque intervertébral est généralement considérée comme le résultat de l’insuffisance chronique de la nutrition de ses cellules. Le renouvellement de la matrice extracellulaire est alors déficitaire, ce qui par conséquent l’appauvrit en protéoglycanes, macromolécules hydrophiles jouant un rôle fondamental dans le fonctionnement biomécanique du disque. La voie métabolique est la glycolyse, majoritairement anaérobie. Du glucose et de faibles quantités d’oxygène sont donc consommés, tandis que le principal déchet est le lactate. Un modèle multiphasique est utilisé pour décrire le couplage entre le comportement osmoticomécanique du disque intervertébral et le transport et le métabolisme de ses nutriments. Le disque est représenté dans un premier temps en 2D sous l’hypothèse des déformations planes dans le plan sagittal et dans le plan frontal. Il est tout d’abord placé à l’état de non-chargement, un état d’équilibre dans lequel il est bloqué entre ses deux vertèbres adjacentes et libre de gonfler dans une solution saline de concentration physiologique. Son comportement osmoticomécanique et la distribution spatiale de ses nutriments sont alors étudiés. Puis, certaines de ses propriétés sont modifiées, afin d’examiner les conséquences biomécaniques et métaboliques de ces altérations. Les résultats numériques montrent que la distribution des nutriments est davantage affectée par la variation de la porosité, de la diffusivité des nutriments ou de la concentration cellulaire que par la variation de la rigidité du disque ou de la concentration de protéoglycanes. Ensuite, le disque intervertébral subit un cycle de charge diurne / décharge nocturne et la première étude est poursuivie avec l’analyse de l’influence du cycle nycthéméral. Des relations de dépendance sont ainsi mises en évidence entre la concentration des nutriments, le taux de métabolisme cellulaire et le chargement du disque. Enfin, le modèle 2D est comparé au modèle 3D équivalent à l’état de non-chargement, dans le but d’évaluer la pertinence de l’hypothèse des déformations planes. Ainsi, cette thèse a permis d’apporter quelques éléments de réponse sur le lien entre propriétés et chargement du disque intervertébral et transport et métabolisme de ses nutriments
Intervertebral disc degeneration is generally taken to result from chronic insufficiency of the cell nutrition. The renewal of the extracellular matrix shows a deficit, which therefore leads to the loss of proteoglycans, hydrophilic macromolecules which play a fundamental role in the disc biomechanical behavior. The metabolic pathway is the glycolysis, mainly the anaerobic one. Consequently, glucose and small quantities of oxygen are consumed, while the main waste product is lactate. A multiphasic model is used to describe the coupling between the intervertebral disc osmomechanical behavior and the nutrient transport and metabolism. The disc is represented in 2-D using a plane strain formulation in the sagittal plane and in the frontal plane. It is first of all brought into the unloaded state, an equilibrium state where it is fixed to both adjacent vertebrae and free to swell in a physiological saline solution. Its osmomechanical behavior and the nutrient spatial repartition are yet studied. Then, some properties of the disc are modified in order to examine the biomechanical and metabolic consequences of these alterations. Numerical results show that the nutrient distribution is more affected by the variation of porosity, nutrient diffusivity or cell density than by the variation of disc stiffness or proteoglycan concentration. After, the intervertebral disc is submitted to a diurnal loading / nocturnal unloading cycle and the first study is continued with the analysis of the influence of this nycthemeral cycle. Dependence relations are highlighted between nutrient concentration, cell metabolism rate and disc loading. Finally, the 2-D model is compared to the 3-D equivalent one in the unloaded state in order to evaluate the pertinence of the plane strain hypothesis. Thus, this thesis has allowed bringing some answer elements about the link between intervertebral disc properties and loading and nutrient transport and metabolism

Le plateau vertébral (PV) constitue une zone d'échanges entre le réseau vasculaire et le disque intervertébral (DIV) sous la forme de transports convectifs qui garantissent l'homéostasie du DIV. Le PV est le siège d'une maturation physiologique et d'un remodelage pathologique initiés par les stimuli mécaniques et les phénomènes de transport. Ce travail contribue à l'analyse de la dégénérescence discale des pathologies rachidiennes et notamment scoliotiques. Dans un premier temps, une épiphysiodèse sur modèle animal porcin a permis de quantifier l'influence des contraintes de compression asymétrique sur les propriétés convectives du plateau vertébral. La perméabilité macroscopique a diminué de manière dans les zones de contraintes maximales. Ces modifications ont été associées à des modifications locales de la micro-architecture de l'os sous-chondral. Dans un second temps, nous avons confirmé les interactions entre les déformations du rachis et les paramètres convectifs et architecturaux sur un modèle animal porcin de scoliose. Les perturbations mécano-biologiques, altération de la perméabilité et remodelage du réseau osseux trabéculaire sous-chondral, ont été identifiés dans les zones sommitales et plus particulièrement dans la concavité de la courbure
The vertebral end-plate (VEP) is a zone of exchanges between vascular network and disc (IVD) through convective transport that maintain IVD homeostasia. Physiological maturation and pathological remodelling of VEP might be initiated by mechanical stimuli and transport phenomena. This work contributed to the analysis of disc degeneration in pathology of spine and in particular in scoliosis. First, an epiphysiodesis in porcine animal model allowed quantifying the role of asymetric compressive stresses on convective properties of VEP. The macroscopic permeability decreased in zones of maximum strain. These modifications were associated with local modifications of subchondral micro-architecture. Then, we confirmed interactions between spine deformation, convective parameters and end-plate micro-architecture in a porcine animal model of global scoliosis. The mechanobiological modifications, alteration of permeability and remodelling of subchondral network, were mainly detected in the summit zones and in the concavity of the curvature

La dégénérescence du disque intervertébral est une pathologie irréversible entraînant des maux de dos intenses. Les disques intervertébraux sont composés de trois parties : le Nucleus Pulposus (NP) situé au centre, entouré par l’Annulus Fibrosus (AF) et deux plateaux cartilagineux de part et d’autre. La dégénérescence du disque est caractérisée par une baisse d’hydratation du NP qui devient fibreux et ne joue plus son rôle d’absorbeur de chocs. Les forces exercées par le NP sur l’AF vont le rompre provoquant l’écoulement du NP ce qui génère une hernie discale. De nombreux traitements ont été développés mais ils ne permettent pas de freiner la dégénérescence du disque. Ceci est dû en partie à une méconnaissance de la maladie. La plupart des modèles animaux sont quadrupèdes et ne reproduisent pas les caractéristiques de la pathologie humaine. C’est pourquoi il est essentiel de développer de nouveaux modèles in vitro utilisant des cellules humaines. De plus, des biomatériaux à bases de polymères naturels semblent être les plus adéquats pour le développement de tels modèles car ils sont le support naturel des cellules. Ce projet de thèse a eu pour but de développer un nouveau modèle d’Annulus Fibrosus. Pour cela, deux biopolymères présents dans le tissu natif ont été sélectionnés : l’acide hyaluronique qui apporte l’hydratation au disque et le collagène qui sert de support aux cellules. Dans un premier temps, une encre imprimable reproduisant la matrice extracellulaire de l’AF a été développée. Pour cela, une étude physicochimique a été effectuée sur les interactions collagène I/acide hyaluronique (HA). Lorsqu’ils sont mélangés, ces deux biopolymères forment des complexes poly-ioniques (CPIs) du fait de leurs charges opposées. Ces CPIs précipitent et ne permettent pas d’obtenir une encre homogène. L’inhibition des CPIs est efficace à des pH très acides (pH 1) en présence de sels mais ces conditions sont incompatibles avec la survie cellulaire. En modulant le pH et la force ionique, nous avons découvert une nouvelle méthode pour formuler une encre collagène/HA homogène. En se plaçant proche du point isoélectrique du collagène (pH 5,5) et en présence de NaCl, des fibrilles de collagène se forment en solution. Dans ces conditions, les interactions avec l’HA sont inhibées et les CPIs ne se forment pas. Il est ensuite possible de former des hydrogels de collagène fibrillaire par remontée de pH à 7 et de photo réticuler l’HA pour obtenir des hydrogels avec des propriétés physiques optimisées. Le second objectif était de générer le modèle in vitro d’Annulus Fibrosus. L’AF étant un tissu anisotrope, nous avons procédé à une impression 3D de solutions denses de collagène pour induire son alignement. Deux stratégies ont été adoptées pour cette étude. (i) L’encre précédemment formulée en phase diluée a été utilisée à plus haute concentration (30 mg.mL-1 en collagène, 7,5 mg.mL-1 en HA) avec un ratio collagène/HA de 4 pour 1 comme c’est le cas dans l’AF natif. Cette encre est imprimée en bain de gélification (PBS 2X, NaOH 10-3M) et photo-réticulée sous lumière verte en présence d’éosine Y. (ii) Une seconde encre a été formulée composée de collagène concentré imprimée dans le bain de gélification. Après imprégnation avec l’HA, la photoréticulation a été effectuée. Les deux méthodes ont permis d’obtenir des lamelles d’hydrogels anisotropes avec une structure ressemblant à celle de l’AF et des propriétés rhéologiques intéressantes (G’ = 6kPa). Ces lamelles ont été cellularisées avec des fibroblastes en reproduisant leur environnement natif confiné entre deux couches imprimées. La viabilité cellulaire et la morphologie des cellules étaient similaires à celles observées dans le tissu natif après 14 jours de culture. Si les propriétés mécaniques n’ont pas été atteintes, la bioactivité, la structure et l’anisotropie des matériaux développés lors de cette thèse ont été proches du tissu natif, les validant en tant que modèle 3D de l’Annulus Fibrosus
The intervertebral disc degeneration is an irreversible pathology leading to low back pain. The intervertebral disc is composed of three tissues: the Nucleus Pulposus located in the center, surrounded by the Annulus Fibrosus (AF) and two cartilaginous plates located above and below. Disc degeneration is characterized by a hydration loss of the Nucleus Pulposus (NP), which becomes fibrous and no longer acts as a shock absorber. The forces exerted by the NP on the AF break it, causing the leakage of the NP leading to disc herniation. Several drug and surgical treatments have been developed but none stops or slows down the disc degeneration. This is due to a lack of knowledge of this disease. Most animal models are quadrupedal and do not reproduce the characteristics of the human pathology. This is why it is essential to develop novel in vitro models using human cells. Furthermore, biomaterials based on natural polymers are the most suitable for the development of three-dimensional in vitro models because these biopolymers are the natural support of cells. In order to mimic a complete intervertebral disc, it is essential to reproduce the three parts of this tissue. This thesis project aimed to develop a novel model of Annulus Fibrosus. For this purpose, two biopolymers present in the native tissue were selected: hyaluronic acid which gives hydration to the disc and collagen which is the natural support of cells. The first objective of this thesis was devoted to the formulation of a printable ink to reproduce the AF extracellular matrix. To do this, a physicochemical study was carried out on collagen/hyaluronic acid (HA) interactions. After mixing, these two biopolymers form polyionic complexes (PICs) and precipitate due to their opposite charges. So, a homogeneous ink cannot be obtained. Inhibition of PICs formation is effective at very acidic pH (pH 1) in with salt addition. Nevertheless, these conditions are incompatible with cell survival. By modulating the pH and ionic strength, we discovered a new method to formulate a homogeneous collagen/HA ink. Using a collagen solution close to its isoelectric point (pH 5.5) in presence of NaCl, we triggered the formation of collagen fibrils in solution. Interactions with HA are inhibited in these conditions and PICs are not formed anymore. Then, a fibrillary collagen hydrogel can be formed by raising the pH to 7 and HA can be crosslinked to obtain hydrogels with optimized physical properties. The second objective was to design the in vitro model of Annulus Fibrosus. Since AF is an anisotropic tissue, we 3D printed dense collagen solutions to induce alignment. Indeed, the shearing of dense solutions during printing aligns collagen. Two strategies were tested in this study. (i) The ink previously formulated was used at high concentration (30 mg.mL-1 for collagen, 7.5 mg.mL-1 for HA) with a 4:1 collagen/hyaluronic acid ratio to resemble the native AF. This ink was printed in a gelation bath (2X PBS, 10-3M NaOH) and photocrosslinked under green light (eosin Y used as photo initiator). (ii) A second ink was used, only composed of concentrated collagen and printed in the same gelling bath. Then, an impregnation process with HA was carried out followed by the photocrosslinking with green light. The two methods allowed the production of anisotropic lamellae with structural features resembling those of AF as well as interesting rheological properties (G' = 6kPa). These lamellae were cellularized with fibroblasts confined between two printed layers. Cell viability and morphology were similar to that observed within the native tissue. If the physiological mechanical properties were not reached, biocompatibility, bioactivity, structure and anisotropy of these biomaterials were close to the native tissue, this allows to validate them as a novel 3D model of Annulus Fibrosus

Dans notre société, la lombalgie est une pathologie fréquente représentant un vrai problème de santé publique au coût important et en constante augmentation.
Il est maintenant largement admis que la dégénérescence du disque intervertébral (DIV) est la principale cause de lombalgie. Cette dégénérescence est un processus complexe caractérisé par des changements biochimiques et structuraux intervenant dans les différents tissus du DIV. Aujourd'hui, seuls des traitements médicaux symptomatiques de la lombalgie sont disponibles et il n'existe pas de traitement spécifique de la dégénérescence discale.
L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique reconnue comme un outil non invasif et totalement atraumatique de diagnostic chez l'homme. L'IRM permet de caractériser la morphologie et la physiologie d'un être vivant à partir des modifications de l'état de l'eau dans ses tissus. De part la composition du DIV (principalement de l'eau) l'IRM s'avère être particulièrement adaptée à l'étude du DIV sain ou dégénératif, ainsi qu'à sa régénération dans le cadre de l'évaluation de l'efficacité d'un traitement.
Les objectifs de ce projet ont d'abord été de développer un protocole d'IRM in vivo du DIV chez le lapin, capable de différencier des DIV sains et pathologiques et de mettre en évidence différents stades de dégénérescence discale. Ce protocole a ensuite permis d'évaluer l'efficacité de nouvelles techniques de réparation discale développées par la société Abbott Spine SA.
En parallèle de ce travail chez le lapin, l'IRM in vivo du DIV de souris a été développée, dans le but d'utiliser des modèles transgéniques de pathologies articulaires et d'étudier leur impact sur le DIV.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le défi sociétal de la santé et est construit sur une approche originale interdisciplinaire en mécanobiologie. La pathologie étudiée est la scoliose idiopathique, déformation rachidienne structurelle la plus courante touchant 2 à 3% des enfants de 10 ans ou plus. Environ 10% va progresser pendant la croissance et nécessiter un traitement spécifique pouvant aller jusqu’à une chirurgie très invasive. L’aide au diagnostic, la prise en charge du patient et son suivi sont des étapes clés dans lesquelles la proposition d’une quantification objective des phénomènes liés aux altérations pathologiques soutenue par des modèles prédictifs peut apporter une contribution significative. La modélisation mécanique du rachis trouve ses limitations dans le caractère multi-échelles en espace et en temps des tissus biologiques impliqués dans la scoliose. De nombreuses études se sont attachées à comprendre les phénomènes biomécaniques à l’échelle d’un segment vertébral ou bien l’épidémiologie à l’échelle du rachis. Ces approches constituent l’essentiel des travaux disponibles, cependant, il n’existe pas de travaux combinant les deux échelles spatiales, qui sont difficilement modélisables numériquement. L'évolution temporelle de la scoliose est quant à elle principalement étudiée dans la littérature du point de vue clinique et rarement du point de vue mécanique. La méthodologie proposée dans cette thèse s'attache à prendre en compte certaines caractéristiques multi-échelles de la scoliose en s’efforçant de contourner les obstacles par l'élaboration d'un nouveau cadre théorique. L'hypothèse centrale de cette approche est que la position d’équilibre quasi-statique du rachis scoliotique dérive de la minimisation d’une énergie potentielle totale incluant les énergies de déformation des structures déformables ainsi que les efforts internes et externes. Cette modélisation a été paramétrée par des opérateurs de type tenseurs effectifs. La détermination de solutions d’équilibre a été effectuée par minimisation numérique, celle des tenseurs effectifs a été menée par l’implémentation d’une méthode numérique inverse originale par son adaptation au domaine du vivant et incluant notamment une méthode de pénalisation. Cette résolution a été réalisée à partir d’un modèle mécanique global filaire et tridimensionnel du rachis. A une sous-échelle incluant le segment vertébral, une approche poroélastique a été proposée. Cette partie du travail a permis de discuter de la notion d’échelle de temps multiples et d’établir des liens entre les échelles spatiales par le biais des torseurs d’efforts internes. L’approche heuristique a été construite par des échanges avec les informations cliniques (radiographies biplanaires), ceci en collaboration avec le service d’orthopédie pédiatrique du CHU Toulouse. La résolution d’un problème inverse sur un rachis très peu déformé a montré que les résultats obtenus étaient similaires à ceux de la littérature, validant la pertinence de ce modèle. Par ailleurs, les résolutions menées à partir d’une cohorte de patients (scolioses stables ou instables) ont permis de mettre évidence des indices évolutifs associés à l’adaptation mécanique des segments vertébraux. Ainsi, les temps de résolution des modèles numériques étant optimisés, il est possible d’envisager à court terme l’utilisation de cette nouvelle méthodologie en contexte clinique pour aider au diagnostic précoce des scolioses instables, à la rééducation adaptée et la planification chirurgicale. En perspective, grâce au modèle développé dans cette thèse, l’exploration de l’altération des propriétés de transports dans les segments pathologiques permettra d’étudier la dégénérescence discale et ainsi s’intéresser aux causes du développement de la scoliose. Ce type de recherches pourra être effectué par l’enrichissement de la méthodologie par des modèles de transports réactifs étayés par les observations cliniques
The research developed during this Ph.D thesis falls within the societal challenge on health and is based on an innovative interdisciplinary methodology in the field of mechanobiology. The studied pathology is the adolescent idiopathic scoliosis, which is the most common spine structural deformity, affecting 2 to 3% of children from 10 years old. About 10% will progress during growth and require specific treatment, which may include invasive surgery. Improvements in diagnosis techniques and patients follow-up are key objectives for which the quantification of phenomena involved in the pathology evolution supported by predictive models can bring new insight in scoliosis care. Because scoliotic spine is a multiscale problem in space and time, mechanical modeling is challenging. Many studies have focused on understanding biomechanical phenomena at the vertebral segment scale or epidemiology at the spine scale. These researches constitute the majority of the work available to date, however, to our knowledge, there is no work combining the two spatial scales, which is challenging to model numerically. The scoliosis temporal evolution is mainly studied from clinical perpectives and rarely using mechanical approaches. The methodology proposed within the framework of this thesis aimed at taking into account some of the scoliosis multiscale characteristics and attempted to circumvent these obstacles. The main assumption was that the quasi-static equilibrium position of the scoliotic spine was derived from the minimization of a total potential energy including the deformation energies of the deformable structures as well as internal and external forces. This energy model was parameterized by operators such as effective tensors. The determination of the equilibrium solution was carried out by numerical minimization. The evaluation of effective tensors was carried out by the implementation of inverse numerical techniques including penalization methods. This approach is original in the context of a clinical problem. The resolution has been performed using a global three-dimensional wireframe mechanical model of the spine. At the vertebral segment subscale, a poroelastic model has been proposed. This part of the work discussed the multiple timescale involved in scoliosis and put forward links between spatial scales through internal stress tensors. This heuristic approach was built on a constant exchange with experts in the field (pediatric orthopedics department of the Toulouse University Hospital) and validated with clinical data (biplanar radiographs). The resolution of an inverse problem on a slightly deformed spine showed that the results obtained were similar to those extracted from the literature, hence validating the relevance of this model. The resolutions carried out from a cohort of patients (stable or unstable scoliosis) highlighted evolutionary indices associated with the mechanical adaptation of the vertebral segments. Thus, the low computational cost of the optimized digital models enable us to consider, in the near future, the use of this innovative methodology in a clinical context to help in the early diagnosis of unstable scoliosis, in the choice of an appropriate rehabilitation and in the surgical planning. In perspective, based on the current model, the exploration of the alteration of transport properties in segments under pathological mechanical loading will allow us to study disc degeneration and therefore to explore scoliosis causes. To reach this objective, the current two scales approach will be enriched with reactive transport models supported by clinical observations