Caractérisation multi-échelle du tissu osseux : Application à l'ostéogénèse imparfaite

Multi-scalar caracterisation of bone tissu : Application on Osteogenesis Imperfecta

• Auteur / Autrice : Agathe Echard
• Direction : Thierry Hoc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 21/11/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-) - Laboratoire de tribologie et de dynamique des systèmes
• Jury : Président / Présidente : Catherine Chaussain-Miller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Hoc, Jean-Charles Auregan, Pierre Jurdic
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Morad Bensidhoum, Martine Pithioux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Spectroscopie Raman

Ostéogenèse imparfaite

Mots clés libres

Ostéogenèse imparfaite

Spectroscopie Raman

Remodelage osseux

Nano-indentation

Interférométrie

Osteogenesis imperfecta

Raman spectroscopy

Bone remodeling

Nano-indentation

Interferometry

Résumé

L’ostéogénèse imparfaite(OI) est une maladie génétique rare qui se caractérise, entre autres, par une fragilité accrue des os. Des analyses du génome des patients atteints ont permis d’identifier les mutations qui déclenchaient ce principal symptôme. Pour le tissu osseux, la difficulté dans la compréhension de cette pathologie réside dans la structure multi-échelle du tissu osseux et dans son caractère de tissu vivant renouvelé par le remodelage osseux.Dans cette thèse, nous avons donc dans un premier temps étudié l’impact des différentes mutations sur la structure nanoscopique du tissu osseux de patients OI. Pour ce faire, une technique d’exploration des propriétés physico-chimiques a été développée. Plus particulièrement, nous avons pu mesurer l’apport de la spectroscopie Raman à l’étude du tissu osseux. Cela a permis d’identifier différentes conséquences sur le tissu osseux créées par des mutations touchant des protéines impliquées dans le métabolisme osseux. Ainsi, du point de vue de la spectroscopie Raman, trois groupes de mutations sont dissociables :• les mutations touchant directement le collagène et ses modifications (OI type génétique III, VII et VIII),• les mutations causant l’OI de type VI qui se caractérise par une hyper minéralisation due à une sous production de collagène,• les mutations causant l’OI de type XI qui se caractérise par un taux de substitution en carbonate plus important que la moyenne traduisant un taux de remodelage plus faible.Dans un second temps, l’aspect vivant du tissu osseux a été étudié avec l’étude de la phase de résorption du remodelage osseux. Il a ainsi été montré que les cellules osseuses qui résorbaient la matrice osseuse n’agissaient pas de manière aléatoire, mais qu’elles ciblaient les zones aux propriétés mécaniques et minérales les plus faibles. Ce comportement étudié d’abord sur du tissu osseux adulte sain a été aussi observé sur les os des patients souffrant d’OI. La pathologie n’a pas modifié qualitativement ce comportement.

Osteogenesis imperfecta (OI) is a rare genetic disease, whose main feature is more brittle bone. Genetic analysis identified mutations making the bone more prone to fracture. As the bone is a multistructrural material, while also being a living tissue, the symptoms and consequences of the disease are numerous. During this thesis, the focus was made on a first approach on the differences of nanostructures between the various mutations causing OI. More specifically, a new use of Raman spectroscopy was made in order to study the collagenic matrix as well as the mineral component. It was found that mutations could be gathered in three groups:• Mutations implied directly in the collagen synthesis and in its early modification (OI genetical type III, VII et VIII),• Mutations implied directly in the mineralization of the collagenic matrix, with an hypermineralization of this matrix (OI genetical type VII),• Mutations causing OI genetical type XI, characterized by a high rate of carbonate substitution, implying a low remodeling rate.On the other hand, the living aspect of bone tissue was studied, with a focus made on the resorption phase of the remodeling cycle. It was found on healthy adults bone that the cells were not behaving randomly, but target osteons with lower mechanical and mineral properties. Moreover, the behavior of those cells is not altered by OI: it was found that the cells had the same not-random behavior on bone of OI patients.