Développement d'un modèle préclinique d'ostéo-intégration implantaire dentaire chez la souris

Development of a mouse dental implant osteointegration model

• Auteur / Autrice : Nicolas Blanc-Sylvestre
• Direction : Claire Bardet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 24/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pathologies, imagerie et biothérapies oro-faciales (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Cuisinier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Cuisinier, Olivier Huck, Alain Guignandon, Catherine Chaussain-Miller, Maria Clotilde Carra
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Huck, Alain Guignandon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Os -- Maladies

Ostéo-intégration

Implants dentaires

Mots clés libres

Implant dentaire

Ostéo intégration

Modèle murin

Contact os/implant

Segmentation osseuse

Scanner haute résolution

Micro-CT

Dental implant

Osseo integration

Mouse model

Bone/implant contact

Bone segmentation

High resolution scanner

Micro-CT

Résumé

L'expansion du marché mondial des implants dentaires s'accompagne d'une augmentation de la prévalence des maladies péri-implantaires, notamment chez les patients atteints de pathologies systémiques ou présentant des pronostics d'ostéo-intégration défavorables comme par exemple dans le cas de pathologies génétiques osseuses. Dans ce contexte, mes travaux de thèse ont visé à développer un modèle d'ostéo-intégration implantaire dentaire prenant en compte les problématiques cliniques (extraction dentaire, remodelage osseux, respect du couloir osseux) et pouvant répondre à différents contextes physiopathologiques. La première partie de mon travail a consisté à analyser les processus de sélection des modèles pré-cliniques utilisés en implantologie et ainsi i) proposer une classification des modèles pré-cliniques et ii) mettre en évidence le potentiel du modèle de souris. Dans un second temps, j'ai développé un protocole d'implantation chez la souris, ergonomique et reproductible. Après analyses morphométriques de l'os mandibulaire et maxillaire de souris C57BL6/J (n=3) par micro-tomographie aux rayons X (micro-CT), l'implant a été modélisé en respectant l'architecture osseuse du site de la première molaire mandibulaire (M1) considéré comme le plus proche des critères cliniques (hauteur/largeur, os cortico-spongieux), puis manufacturé en titane de grade médical TiA6V. Suite à l'extraction de la M1 de souris C57BL/6 (n=6), les analyses micro-CT ont montré une dynamique de cicatrisation osseuse avec un plateau de cicatrisation osseuse à 5 semaines. Les implants ont ensuite été placés (1 implant/souris) au niveau du site cicatriciel. Le suivi longitudinal par micro-CT a montré une augmentation de la surface osseuse jusqu'au 28e jour et un contact intime os/implant de 84,6% au 35e jour, confirmé par des analyses histologiques. Nous avons ensuite superposé les données scanners in vivo, ex vivo et des coupes histologiques obtenues afin d'évaluer la qualité des analyses osseuses péri-implantaires. Les analyses 3D scanners in vivo ont surévalué de 11% le contact os-implant par rapport au scanner ex vivo (p-value <0.0001, R2 : 0.96). Nos résultats suggèrent que le contact intime os-implant doit être mesuré par analyse histologique ou scanner ex vivo, le scanner in vivo permettant une analyse de la dynamique de cicatrisation osseuse. Notre protocole a ensuite été adapté à la procédure clinique d'extraction-implantation immédiate. La durée de ce protocole, réalisé en un seul temps chirurgical, a ainsi été diminuée de 5 semaines pour un même pourcentage de contact os/implant final (1,6 ± 4,28% à J35 ; p-value : 0,7221). Le raffinement de notre protocole offre la possibilité de réaliser dans un temps réduit une étude centrée sur le prototype implantaire. Pour finir, notre protocole a été appliqué à la souris Hyp, modèle murin mimant l'Hypophosphatémie liée à l'X. Les patients atteints de cette pathologie présentent des manifestations parodontales et une perte précoce de leurs implants [4]. Trois groupes de souris ont été analysés : des souris sauvages (Wild Type, WT), des souris Hyp, et des souris Hyp traitées avec le traitement conventionnel (supplémentation en phosphore et vitamine D active). Ce modèle a mis en évidence une densité minérale osseuse statistiquement diminuée chez les souris Hyp. En parallèle, des cultures d'ostéoclastes sur lamelles d'os ont montré une diminution de la surface résorbée par les ostéoclastes Hyp comparés aux WT, suggérant une altération de la résorption au cours du remodelage osseux. Les contributions originales de ce travail ont consisté à mettre en place une nouvelle classification des modèles pré-cliniques en implantologie et de proposer un nouveau modèle d'implant dentaire chez la souris pour étudier le processus d'ostéo-intégration dans des contextes pathologiques ou tester de nouvelles stratégies thérapeutiques.

While the global dental implant market expands, the prevalence of peri-implant disease, particularly in patients with systemic diseases or unfavourable osseointegration prognoses such as genetic bone diseases, is also increasing. In this context, my work aimed to develop a model of dental implant osseointegration considering clinical criteria (tooth loss, bone remodeling, positioning in a three-dimensional bone corridor) and suitable to study pathophysiological conditions. Firstly, I analyzed the selection processes of animal models in research through a review of the literature highlighting i) a new classification of pre-clinical models (in vivo, in vitro and biomaterials) and ii) the potential of the mouse model in implantology. Secondly, I developed an ergonomic and reproducible implantation protocol considering clinical issues in the mouse model. Morphometric analyses of maxillaries from C57BL6/J mice (n=6) were performed using micro-computed tomography (micro-CT) to define the most suitable implantation site. The bone site surrounding mandibular first molar (M1) presenting the largest volume with bone characteristics similar to humans (compact/spongy bone, crown/root ratio). Implants were designed in relation to the alveolar bone architecture and manufactured in TiA6V medical grade titanium. Following the extraction of the M1 in C57BL/6 mice (n=6), micro-CT analyses of bone healing showed a complete healing 5 weeks after surgery with a bone volume-to-total volume (BV/TV) ratio similar to native bone (BV/TV = 83% vs 84% respectively). Implants were then placed (1 implant/mouse) in the tooth loss site. Micro-CT longitudinal follow-up revealed a BV/TV plateau from day 28 and indicated an intimate contact between bone/implant (84.6%) at day 35 post-implantation, confirmed through histological analyses. Then, the in vivo, ex vivo and histological data obtained from this model were superimposed in order to evaluate the quality of the peri-implant bone analyses. In vivo 3D scans overestimated bone-implant contact compared to the ex vivo scanner by 11% (p-value <0.0001, R2: 0.96). Our findings suggested that bone-to-implant contact should be measured by either histological or ex vivo scanner approach, in vivo scans allowing longitudinal monitoring of the bone healing dynamic. We next adapted this surgical protocol to mimic the Immediate Implant Placement (IIP). The duration of this protocol, realized in a unique surgical step, was reduced by 5 weeks compared to the two steps protocol. This alternative allowed the refinement of the procedure without changing the percentage of bone/implant contact (1.6 ± 4.28% at J35; p-value: 0.7221) and offers the possibility of carrying out, in a short time, a study focused on the implant prototype as a criterion of interest. Finally, our model was applied to the Hyp mouse, a murine model mimicking X-linked Hypophosphatemia XLH). Patients with XLH present periodontal manifestations and early loss of their implants [4]. Three groups of mice were analyzed: Wild Type mice (WT), Hyp mice, and Hyp mice treated with conventional treatment (phosphorus supplementation and active vitamin D). This model demonstrated a statistically decreased mineral density in untreated Hyp mice compared to treated Hyp and WT mice (p=0.0162). In addition, cultures of osteoclasts were performed on bone slices and showed a decrease in the area resorbed by the Hyp osteoclasts compared to the WT, suggesting an alteration of resorption during bone remodeling. To conclude, I contributed to establish a new classification of pre-clinical models in implantology and I proposed a novel model to study osseointegration of dental implants by integrating major clinical criteria. The use of this protocol in transgenic mice might be relevant for studying oral osseointegration process in pathological conditions and assessing the effect of new therapeutic strategies.