Mathematical modelling of soft callus formation in early murine bone repair

Fracture healing is a complicated coupling of many processes. Yet despite the apparent complexity, fracture repair is usually effective. There is, however, no comprehensive mathematical model addressing the multiple interactions of cells, cytokines and oxygen that includes extra-cellular matrix production and that results in the formation of the early stage soft callus. This thesis develops a one dimensional continuum transport model in the context of early fracture healing. Although fracture healing is a complex interplay of many local factors, critical components are identified and used to construct an hypothesis about regulation of the evolution of early callus formation. Multiple cell lines, cellular differentiation, oxygen levels and cytokine concentrations are examined as factors affecting this model of early bone repair. The model presumes diffusive and chemotactic cell migration mechanisms. It is proposed that the initial signalling regime and oxygen availability arising as consequences of bone fracture, are sufficient to determine the quantity and quality of early soft callus formation. Readily available software and purpose written algorithms have been used to obtain numerical solutions representative of various initial conditions. These numerical distributions of cellular populations reflect available histology obtained from murine osteotomies. The behaviour of the numerical system in response to differing initial conditions can be described by alternative in vivo healing pathways. An experimental basis, as illustrated in murine fracture histology, has been utilised to validate the mathematical model outcomes. The model developed in this thesis has potential for future extension, to incorporate processes leading to woven bone deposition, while maintaining the characteristics that regulate early callus formation.

Improved healing of large segmental defects in the rat femur by reverse dynamization in the presence of bone morphogenetic protein-2

Background Large segmental defects in bone do not heal well and present clinical challenges. This study investigated modulation of the mechanical environment as a means of improving bone healing in the presence of bone morphogenetic protein (BMP)-2. Although the influence of mechanical forces on the healing of fractures is well established, no previous studies, to our knowledge, have described their influence on the healing of large segmental defects. We hypothesized that bone-healing would be improved by initial, low-stiffness fixation of the defect, followed by high-stiffness fixation during the healing process. We call this reverse dynamization. Methods A rat model of a critical-sized femoral defect was used. External fixators were constructed to provide different degrees of stiffness and, importantly, the ability to change stiffness during the healing process in vivo. Healing of the critical-sized defects was initiated by the implantation of 11 mg of recombinant human BMP (rhBMP)-2 on a collagen sponge. Groups of rats receiving BMP-2 were allowed to heal with low, medium, and high-stiffness fixators, as well as under conditions of reverse dynamization, in which the stiffness was changed from low to high at two weeks. Healing was assessed at eight weeks with use of radiographs, histological analysis, microcomputed tomography, dual x-ray absorptiometry, and mechanical testing. Results Under constant stiffness, the low-stiffness fixator produced the best healing after eight weeks. However, reverse dynamization provided considerable improvement, resulting in a marked acceleration of the healing process by all of the criteria of this study. The histological data suggest that this was the result of intramembranous, rather than endochondral, ossification. Conclusions Reverse dynamization accelerated healing in the presence of BMP-2 in the rat femur and is worthy of further investigation as a means of improving the healing of large segmental bone defects. Clinical Relevance These data provide the basis of a novel, simple, and inexpensive way to improve the healing of critical-sized defects in long bones. Reverse dynamization may also be applicable to other circumstances in which bonehealing is problematic.

Use of genetically modified muscle and fat grafts to repair defects in bone and cartilage

We report a novel technology for the rapid healing of large osseous and chondral defects, based upon the genetic modification of autologous skeletal muscle and fat grafts. These tissues were selected because they not only possess mesenchymal progenitor cells and scaffolding properties, but also can be biopsied, genetically modified and returned to the patient in a single operative session. First generation adenovirus vector carrying cDNA encoding human bone morphogenetic protein-2 (Ad.BMP-2) was used for gene transfer to biopsies of muscle and fat. To assess bone healing, the genetically modified (“gene activated”) tissues were implanted into 5mm-long critical size, mid-diaphyseal, stabilized defects in the femora of Fischer rats. Unlike control defects, those receiving gene-activated muscle underwent rapid healing, with evidence of radiologic bridging as early as 10 days after implantation and restoration of full mechanical strength by 8 weeks. Histologic analysis suggests that the grafts rapidly differentiated into cartilage, followed by efficient endochondral ossification. Fluorescence in situ hybridization detection of Y-chromosomes following the transfer of male donor muscle into female rats demonstrated that at least some of the osteoblasts of the healed bone were derived from donor muscle. Gene activated fat also healed critical sized defects, but less quickly than muscle and with more variability. Anti-adenovirus antibodies were not detected. Pilot studies in a rabbit osteochondral defect model demonstrated the promise of this technology for healing cartilage defects. Further development of these methods should provide ways to heal bone and cartilage more expeditiously, and at lower cost, than is presently possible.

Genome-wide meta-analysis identifies 56 bone mineral density loci and reveals 14 loci associated with risk of fracture

Bone mineral density (BMD) is the most widely used predictor of fracture risk. We performed the largest meta-analysis to date on lumbar spine and femoral neck BMD, including 17 genome-wide association studies and 32,961 individuals of European and east Asian ancestry. We tested the top BMD-associated markers for replication in 50,933 independent subjects and for association with risk of low-trauma fracture in 31,016 individuals with a history of fracture (cases) and 102,444 controls. We identified 56 loci (32 new) associated with BMD at genome-wide significance (P < 5 × 10−8). Several of these factors cluster within the RANK-RANKL-OPG, mesenchymal stem cell differentiation, endochondral ossification and Wnt signaling pathways. However, we also discovered loci that were localized to genes not known to have a role in bone biology. Fourteen BMD-associated loci were also associated with fracture risk (P < 5 × 10−4, Bonferroni corrected), of which six reached P < 5 × 10−8, including at 18p11.21 (FAM210A), 7q21.3 (SLC25A13), 11q13.2 (LRP5), 4q22.1 (MEPE), 2p16.2 (SPTBN1) and 10q21.1 (DKK1). These findings shed light on the genetic architecture and pathophysiological mechanisms underlying BMD variation and fracture susceptibility.

Abl expression, tumour grade, and apoptosis in chondrosarcoma

AIMS: To determine whether Abl immunoreactivity correlates with grade and cell kinetics (apoptosis and mitosis) in chondrosarcoma.

METHODS: Sections from 16 chondrosarcomas were stained immunohistochemically using a polyclonal antibody to the c-Abl/Bcr-Abl oncoprotein. Apoptotic indices and mitotic indices were assessed in all tumours. Sections from 24 paraffin wax blocks of human fetal rib (gestational ages, 15-42 weeks) were also stained to determine whether the Abl protein is synthesised consistently throughout endochondral ossification.

RESULTS: Abl staining in immature fetal rib chondrocytes at all stages of development was predominantly nuclear, and 70% of cells showed moderate to strong staining. Abl immunoreactivity was minimal or absent in hypertrophic chondrocytes about to undergo apoptosis at the growth plate. There was strong Abl staining in grade 1 and grade 2 chondrosarcomas but staining was greatly reduced or absent in grade 3 chondrosarcomas. There was a very significant linear correlation between apoptotic index (mean, 0.68%; range, 0-3.2%) and mitotic index (mean, 0.23%; range, 0-0.9%), and both indices were significantly lower in grade 1 than in grade 2 and grade 3 chondrosarcomas.

CONCLUSIONS: These data suggest that abl gene expression is associated with differentiation and apoptosis inhibition in fetal and neoplastic chondrocytes. However, these putative effects cannot be ascribed solely to the Abl protein, because several additional factors contribute to the regulation of both differentiation and apoptosis.

Exome sequencing identifies INPPL1 mutations as a cause of opsismodysplasia.

Opsismodysplasia (OPS) is a severe autosomal-recessive chondrodysplasia characterized by pre- and postnatal micromelia with extremely short hands and feet. The main radiological features are severe platyspondyly, squared metacarpals, delayed skeletal ossification, and metaphyseal cupping. In order to identify mutations causing OPS, a total of 16 cases (7 terminated pregnancies and 9 postnatal cases) from 10 unrelated families were included in this study. We performed exome sequencing in three cases from three unrelated families and only one gene was found to harbor mutations in all three cases: inositol polyphosphate phosphatase-like 1 (INPPL1). Screening INPPL1 in the remaining cases identified a total of 12 distinct INPPL1 mutations in the 10 families, present at the homozygote state in 7 consanguinous families and at the compound heterozygote state in the 3 remaining families. Most mutations (6/12) resulted in premature stop codons, 2/12 were splice site, and 4/12 were missense mutations located in the catalytic domain, 5-phosphatase. INPPL1 belongs to the inositol-1,4,5-trisphosphate 5-phosphatase family, a family of signal-modulating enzymes that govern a plethora of cellular functions by regulating the levels of specific phosphoinositides. Our finding of INPPL1 mutations in OPS, a severe spondylodysplastic dysplasia with major growth plate disorganization, supports a key and specific role of this enzyme in endochondral ossification.

Analyse fonctionnelle du gène BMP-2 lors de la régénération du membre chez l’axolotl

Les amphibiens urodèles (e.g. les axolotls) possèdent la remarquable capacité de régénérer plusieurs parties de leur corps. Ils peuvent, entre autres, régénérer parfaitement un membre amputé par épimorphose, un processus biphasique comprenant une phase de préparation, spécifique à la régénération, et une phase de redéveloppement, commune à l’épimorphose et au développement embryonnaire. Durant la phase de préparation, les cellules du moignon se dédifférencient en cellules pseudo-embryonnaires, prolifèrent et migrent distalement au plan d’amputation pour former un blastème de régénération. Parmi les vertébrés, la dédifférenciation est unique aux urodèles. Afin de mieux comprendre le contrôle moléculaire de la régénération chez les urodèles, nous avons choisi d’étudier BMP-2, un facteur de croissance, en raison de son implication dans la régénération des phalanges distales chez les mammifères. Le facteur de transcription MSX-1 a également été sélectionné en raison de sa capacité à induire la dédifférenciation cellulaire in vitro et de son interaction potentielle avec la signalisation des BMPs. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que BMP-2 et MSX-1 sont exprimés lors des phases de préparation et de redéveloppement de l’épimorphose, et que leur profil d'expression spatio-temporel est très semblable, ce qui suggère une interaction de leurs signaux. En outre, chez les tétrapodes amniotes, l’expression de Shh est restreinte au mésenchyme postérieur des membres en développement et chevauche l’expression de BMP-2. Toutefois, l’expression de BMP-2 n’est pas restreinte à la région postérieure mais forme un gradient postéro-antérieur. Shh est le principal régulateur de la formation du patron de développement antéro-postérieur du ii membre. Étant donné les domaines d’expression chevauchants de BMP-2 et Shh et la restriction postérieure d’expression de Shh, on croit que Shh régule la formation du patron de développement de postérieur à antérieur par l’activation de l’expression de BMP-2. Fait intéressant, l’axolotl exprime également Shh dans la région postérieure, mais le développement des pattes se fait de la région antérieure à la région postérieure au lieu de postérieur à antérieur comme chez les autres tétrapodes, et ceci durant le développement et la régénération. Nous avons utilisé cette caractéristique de l’axolotl pour démontrer que la signalisation Shh ne structure pas l’autopode via BMP-2. En effet, l’expression de BMP-2 n'est pas régulée par l'inhibition de la signalisation Shh, et son expression est du côté opposé à celle de Shh durant le développement et la régénération des pattes de l’axolotl. Il a été observé durant le développement du membre chez la souris que MSX-1 est régulé par la signalisation Shh. Nos résultats ont démontrés que chez l’axolotl, MSX-1 ne semble pas régulé par l'inhibition de la signalisation Shh au cours de la régénération du membre. De plus, nous avons démontré que contrairement à l’expression de Shh, l’expression de BMP-2 est corrélée avec l’ordre de formation des phalanges, est impliquée dans la condensation cellulaire et dans l'apoptose précédant la chondrogenèse. L’ensemble de ces résultats suggère un rôle de BMP-2 dans l’initiation de l’ossification endochondrale. Enfin, nous avons démontré que la signalisation BMP est indispensable pour l’épimorphose du membre durant la phase de redéveloppement.

The role of PPARgamma in cartilage growth and development using cartilage-specific PPARgamma knockout mice

Le cartilage est un tissu conjonctif composé d’une seule sorte de cellule nommée chondrocytes. Ce tissu offre une fondation pour la formation des os. Les os longs se développent par l'ossification endochondral. Ce processus implique la coordination entre la prolifération, la différenciation et l'apoptose des chondrocytes, et résulte au remplacement du cartilage par l'os. Des anomalies au niveau du squelette et des défauts liés à l’âge tels que l’arthrose (OA) apparaissent lorsqu’il y a une perturbation dans l’équilibre du processus de développement. À ce jour, les mécanismes exacts contrôlant la fonction et le comportement des chondrocytes pendant la croissance et le développement du cartilage sont inconnus. Le récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est un facteur de transcription impliqué dans l'homéostasie des lipides. Plus récemment, son implication a aussi été suggérée dans l'homéostasie osseuse. Cependant, le rôle de PPARγ in vivo dans la croissance et le développement du cartilage est inconnu. Donc, pour la première fois, cette étude examine le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la croissance et le développement du cartilage. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle au cartilage du gène PPARγ. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Les analyses des souris ayant une délétion au PPARγ aux stades embryonnaire et adulte démontrent une réduction de la croissance des os longs, une diminution des dépôts de calcium dans l’os, de la densité osseuse et de la vascularisation, un délai dans l’ossification primaire et secondaire, une diminution cellulaire, une perte d’organisation colonnaire et une diminution des zones hypertrophiques, une désorganisation des plaques de croissance et des chondrocytes déformés. De plus, la prolifération et la différenciation des chondrocytes sont anormales. Les chondrocytes et les explants isolés du cartilage mutant démontrent une expression réduite du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF)-A et des éléments de production de la matrice extracellulaire. Une augmentation de l’expression de la métalloprotéinase matricielle (MMP)-13 est aussi observée. Dans les souris âgées ayant une délétion au PPARγ, y est aussi noté des phénotypes qui ressemblent à ceux de l’OA tel que la dégradation du cartilage et l'inflammation de la membrane synoviale, ainsi qu’une augmentation de l’expression de MMP-13 et des néoépitopes générés par les MMPs. Nos résultats démontrent que le PPARγ est nécessaire pour le développement et l’homéostasie du squelette. PPARγ est un régulateur essentiel pour la physiologie du cartilage durant les stades de croissance, de développement et de vieillissement.

Homéostasie phosphocalcique et vitamine D : effets sur le cartilage de croissance par la mesure des paramètres physiques, biochimiques et géniques liés à la croissance osseuse

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude de la régulation transcriptionnelle du gène Indian Hedgehog et de son rôle dans l'ostéoarthrose

L’Ostéoarthrose (OA) est une maladie articulaire entrainant une dégénérescence du cartilage et une ossification de l’os sous-chondral. Elle touche un Canadien sur 10 et pourtant l’origine de cette pathologie est encore inconnue. Dans le cadre de ce projet, la contribution de deux facteurs de transcription, NFAT1 et PITX1, dans la régulation transcriptionnelle du promoteur d’IHH a été examiné compte tenu de l’implication potentielle de la voie hedgehog (Hh) et de ces facteurs dans la pathogenèse de l’OA. La voie de signalisation Hh régule la croissance et la différenciation des chondrocytes. Indian hedgehog (IHH), l’un des trois membres de la famille Hh, contrôle leur prolifération et leur différenciation.

Rôle du facteur de transcription PITX1 dans la pathogenèse de l'arthrose.

L'arthrose ou ostéoarthrite (OA) est la plus commune des maladies chroniques associées au vieillissement. La multiplicité des loci et des polymorphismes associés à l'OA suggère l'implication de nombreuses voies de signalisation. La plupart des voies empruntées partagent des points en commun avec le processus d'ossification endochondrale. Dans l'arthrose, la réinitiation de ce processus pourrait être responsable de la dégradation du cartilage et de la présence d'ostéophytes. Un des gènes ayant fait surface autant dans l'OA que dans le développement musculosquelettique est PITX1. Contrairement à ce que son nom l'indique, PITX1 n'est pas seulement exprimé dans la glande pituitaire mais également dans l'os, le cartilage, les muscles et les fibroblastes. Pitx1 joue un rôle clé dans l'identité des membres inférieurs et son inactivation complète chez la souris mène à un phénotype ressemblant aux membres supérieurs. Moins sévère, son inactivation partielle provoque des symptômes apparentés à l'arthrose précoce chez la souris vieillissante. Chez l'humain, une perte d'expression de PITX1 est observée dans le cartilage OA de concert avec une augmentation des protéines EXTL3, REG1 et PARP1. Ces dernières pourraient favoriser la phase initiale de régénération associée à l'arthrose. Pour induire la prolifération des chondrocytes, de bas niveaux de PITX1 sont nécessaires. À l'inverse, de hauts niveaux de PITX1 pourraient prévenir la prolifération et être responsables du statut différencié des chondrocytes articulaires normaux. L'étude des mécanismes de régulation du gène PITX1 a mené à l'identification d'un co-répresseur, nommé prohibitine (PHB1), lié sur une région promotrice distale. PHB1 est normalement retrouvé au niveau des mitochondries mais son accumulation nucléaire semble corréler avec la perte de PITX1 et l'initiation de l'OA. Cette découverte pourrait avoir un impact sur le diagnostic et d'éventuels traitements visant à prévenir l'apparition de l'arthrose.

Description du développement épiphysaire du tarse et du grasset équin à l’IRM et au CT : un pas vers la compréhension de l’OCD

L’ostéochondrite disséquante (OCD) est un défaut focal du processus d’ossification endochondrale en des sites spécifiques au niveau épiphysaire. Elle est caractérisée par la présence de fragments ostéochondraux pouvant se détacher de la surface articulaire. Cette maladie a un impact majeur sur les performances athlétiques des chevaux. Les deux hypothèses principales présentement véhiculées quant à sa pathogénie sont une nécrose ischémique du cartilage de croissance et une altération du métabolisme de la matrice de collagène de type II au sein du cartilage de croissance. Malgré de nombreuses années de recherche sur le sujet, plusieurs aspects de cette maladie demeurent inconnus. L’objectif de cette étude était de décrire le développement épiphysaire équin au niveau du membre pelvien à l’aide de l’imagerie médicale afin de déterminer si des variations du processus de maturation à certains sites pouvaient être un facteur prédisposant au développement de lésions d’OCD. Des membres pelviens de fœtus et de jeunes poulains ont été étudiés post-mortem. L’épiphyse du fémur distal, tibia distal et du talus ont été examinées par tomodensitométrie (CT) et résonnance magnétique 1.5 Tesla (IRM) dans le but de documenter le degré et le patron d’ossification, la régularité du front d’ossification, de même que le pourcentage du diamètre épiphysaire demeurant occupé par le complexe de cartilage articulaire-épiphysaire, et ce au niveau de certains sites prédéterminés. Les centres secondaires d’ossification (SOCs) ont été détectés pour la première fois à 7 mois de gestation (MOG) au niveau de l’épiphyse fémorale distale et à 8 MOG au niveau de l’épiphyse tibiale distale et du talus. À 8-9 MOG la lèvre latérale de la trochlée fémorale, la malléole médiale du tibia (MM) et la partie crâniale de la crête intermédiaire du tibia distal (DIRT(Cr)), tous des sites prédisposés à la maladie, avaient le plus haut pourcentage de cartilage de tous les sites évalués. Post-partum, le pourcentage de cartilage de la MM et de la DIRT(Cr) sont demeurés importants. Le CT et l’IRM ont su illustrer le développement épiphysaire équin et soutenir d’avantage le fait qu’un cartilage plus épais à certains sites articulaires pourrait avoir un rôle dans le développement de lésions d’OCD.

Osteocondrite dissecante da cabeça do úmero em cães: Estudo retrospectivo de 36 casos (1991-1996)

A osteocondrite dissecante da cabeça do úmero (OCD) é uma condição patológica da cartilagem articular, decorrente de distúrbio da ossificação endocondral. Foram analisados 36 casos de OCD em cães com idades compreendidas entre 5 e 24 meses, observando-se maior representação entre machos comparados com fêmeas (3,5:1). A maioria destes animais (80,6%) tinha recebido suplementação alimentar. Oito cães foram tratados conservativamente através de repouso e restrição alimentar, enquanto os demais foram submetidos a intervenção cirúrgica por meio de artrotomia e remoção do retalho de superfície articular da cabeça do úmero. Concluiu-se que a predisposição de algumas raças, associada ao desequilíbrio nutricional durante os primeiros meses de vida, são as causas determinantes da OCD, e que a cirurgia é a melhor terapia a ser empregada.

Breeder age and bone development in broiler chicken embryos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Discondroplasia tibial: mecanismos de lesão e controle

A discondroplasia tibial (DT) é atribuída a uma assincronia no processo de diferenciação dos condrócitos, levando à formação de uma camada de condrócitos pré-hipertróficos e de uma cartilagem na tíbia proximal que não é calcificada, mas é resistente à invasão vascular. Além disso, tem sido proposto que, na discondroplasia tíbial, a etapa final do processo de calcificação não ocorre devido ao fato de que os efetores de alguns genes, relacionados com o mecanismo de calcificação do disco de crescimento podem apresentar algumas de suas propriedades químicas ou biológicas alteradas e/ou não serem expressos. Nesse sentido, a compreensão do mecanismo de ação e o papel das biomoléculas e dos minerais relacionados com a discondroplasia tibial poderão contribuir para o conhecimento de doenças do tecido ósseo e estabelecer estratégias de prevenção e tratamento.