Age and species related variation in the development of growth plates of the knee and implications for the locomotion of Australopithecus afarensis

Comprendre l'évolution de la bipédie est un élément essentiel à la recherche en paléoanthropologie, car ce comportement est le trait le plus important utilisé pour identifier les fossiles comme appartenant à la lignée des hominines. La topographie de la surface infradiaphysaire du fémur et du tibia pourrait donner un aperçu du comportement locomoteur des espèces fossiles, mais n'a pas été étudiée de façon approfondie. Ce trait reflète directement les différences dans la locomotion, puisque la surface change de topographie pour mieux résister aux charges encourues par les mouvements réguliers. Le plan infradiaphysaire du fémur chez les humain est relativement plat, tandis que la surface est plus irrégulière chez les grands singes. Dans ce projet, les métaphyses du genou ont été étudiées d’une manière quantifiée afin de percevoir les différences entre espèces et mieux comprendre le développement ontogénique de ces traits. Les angles formés par les protrusions et les creux de ces surfaces ont été mesurés à partir de points de repère enregistrés en trois-dimensions sur les métaphyses du genou chez les humains, chimpanzés, gorilles, et orangs-outans, et chez trois fossiles Australopithecus afarensis, afin d’observer de l’effet de facteurs tel le stade de croissance et l’appartenance à une espèce sur la topographie des plaques de croissance du genou. Les angles d’obliquité du fémur et du tibia ont aussi été mesurés et analysés. Les résultats ont révélé que le stade développemental et l’appartenance à une espèce et, par association, le mode de locomotion, ont un effet significatif sur les métaphyses du genou. Il a également été constaté que les mesures d'Australopithecus afarensis chevauchent les valeurs trouvées chez les humains et chez les grands singes, ce qui suggère que cette espèce avait possiblement conservé une composante arboricole dans son comportement locomoteur habituel.

Accelerated hypertrophic chondrocyte kinetics in GDF-7 deficient murine tibial growth plates

The Growth/Differentiation Factors (GDFs) are a subgroup of the Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) well known for their role in joint formation and chondrogenesis. Mice deficient in one of these signaling molecules, GDF-5, have recently been shown to exhibit a decreased rate of endochondral bone growth in the proximal tibia due to a significantly longer hypertrophic phase duration. GDF-7 is a related family member, which exhibits a high degree of sequence identity with GDF-5. The purpose of the present study was to determine whether GDF-7 deficiency also alters the endochondral bone growth rate in mice and, if so, how this is achieved. Stereologic and cell kinetic parameters in proximal tibial growth plates from 5-week-old female GDF-7 -/- mice and wild type control littermates were examined. GDF-7 deficiency resulted in a statistically significant increase in growth rate (+26%; p = 0.0084) and rate of cell loss at the chondrosseous junction (+25%; p = 0.0217). Cells from GDF-7 deficient mice also exhibited a significantly shorter hypertrophic phase duration compared to wild type controls (-27%; p = 0.0326). These data demonstrate that, in the absence of GDF-7, the rate of endochondral bone growth is affected through the modulation of hypertrophic phase duration in growth plate chondrocytes. These findings further support a growing body of evidence implicating the GDFs in the formation, maturation, and maintenance of healthy cartilage.

Altered hypertrophic chondrocyte kinetics in GDF-5 deficient murine tibial growth plates

The growth/differentiation factors (GDFs) are a subgroup of the bone morphogenetic proteins best known for their role in joint formation and chondrogenesis. Mice deficient in one of these signaling proteins, GDF-5, exhibit numerous skeletal abnormalities, including shortened limb bones. The primary aim of this study was determine whether GDF-5 deficiency would alter the growth rate in growth plates from the long bones in mice and, if so, how this is achieved. Stereologic and cell kinetic parameters in proximal tibial growth plates from 5-week-old female GDF-5 -/- mice and control littermates were examined. GDF-5 deficiency resulted in a statistically significant reduction in growth rate (-14%, p=0.03). The effect of genotype on growth rate was associated with an altered hypertrophic phase duration, with hypertrophic cells from GDF-5 deficient mice exhibiting a significantly longer phase duration compared to control littermates (+25%, p=0.006). These data suggest that one way in which GDF-5 might modulate the rate of endochondral bone growth could be by affecting the duration of the hypertrophic phase in growth plate chondrocytes.

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.

Characterization of in vivo vertebral growth modulation by shape memory alloy staples on a porcine model for the correction of the scoliosis

La recherche de nouvelles voies de correction de la scoliose idiopathique a une longue histoire. Le traitement conventionnel de la scoliose idiopathique est présenté par le port du corset ou par la correction opératoire de la déformation. Depuis leur introduction, les deux méthodes ont prouvé leur efficacité. Cependant, malgré des caractéristiques positives évidentes, ces méthodes peuvent causer un nombre important d'effets indésirables sur la santé du patient. Les techniques sans fusion pour le traitement de la scoliose semblent être une alternative perspective de traitement traditionnel, car ils apportent moins de risques et des complications chirurgicales que les méthodes conventionnelles avec la conservation de la mobilité du disque intravertébral. Cependant, l'utilisation de techniques mentionnées exige une connaissance profonde de la modulation de croissance vertébrale. L'objectif principal de la présente étude est d'estimer le potentiel d'agrafes à l’AMF de moduler la croissance des vertèbres porcines en mesurant la croissance osseuse sur la plaque de croissance de vertèbres instrumentées en comparaison avec le groupe contrôle. La méthode est basée sur la loi de Hueter-Volkmann. Nous avons choisi NiTi agrafes à l’AMF pour notre étude et les porcs de race Landrace comme un animal expérimental. Les agrafes ont été insérés sur 5 niveaux thoracique de T6 à T11. En outre, les radiographies ont été prises toutes les 2 semaines. La présence d'agrafes en alliage à mémoire de forme a produit la création de courbes scoliotiques significatives dans 4 de 6 animaux chargés et le ralentissement considérable de la croissance osseuse (jusqu'à 35,4%) comparativement aux groupes contrôle et sham. L'étude a démontré in vivo le potentiel d'agrafes en alliage à mémoire de formes de moduler la croissance des vertèbres en créant des courbes scoliotiques sur les radiographies et en ralentissant le taux de croissance sur les plaques de croissance instrumenté. La position précise de l'agrafe est essentielle pour la modulation de croissance osseuse et le développement de la scoliose expérimentale.

Loss of alpha10beta1 integrin expression leads to moderate dysfunction of growth plate chondrocytes

Integrin alpha10beta1 is a collagen-binding integrin expressed on chondrocytes. In order to unravel the role of the alpha10 integrin during development, we generated mice carrying a constitutive deletion of the alpha10 integrin gene. The mutant mice had a normal lifespan and were fertile but developed a growth retardation of the long bones. Analysis of the skeleton revealed defects in the growth plate after birth characterized by a disturbed columnar arrangement of chondrocytes, abnormal chondrocyte shape and reduced chondrocyte proliferation. Electron microscopy of growth plates from newborn mice revealed an increased number of apoptotic chondrocytes and reduced density of the collagen fibrillar network compared to these structures in control mice. These results demonstrate that integrin alpha10beta1 plays a specific role in growth plate morphogenesis and function.

CCN2/CTGF is required for matrix organization and to protect growth plate chondrocytes from cellular stress

CCN2 (connective tissue growth factor (CTGF/CCN2)) is a matricellular protein that utilizes integrins to regulate cell proliferation, migration and survival. The loss of CCN2 leads to perinatal lethality resulting from a severe chondrodysplasia. Upon closer inspection of Ccn2 mutant mice, we observed defects in extracellular matrix (ECM) organization and hypothesized that the severe chondrodysplasia caused by loss of CCN2 might be associated with defective chondrocyte survival. Ccn2 mutant growth plate chondrocytes exhibited enlarged endoplasmic reticula (ER), suggesting cellular stress. Immunofluorescence analysis confirmed elevated stress in Ccn2 mutants, with reduced stress observed in Ccn2 overexpressing transgenic mice. In vitro studies revealed that Ccn2 is a stress responsive gene in chondrocytes. The elevated stress observed in Ccn2-/- chondrocytes is direct and mediated in part through integrin α5. The expression of the survival marker NFκB and components of the autophagy pathway were decreased in Ccn2 mutant growth plates, suggesting that CCN2 may be involved in mediating chondrocyte survival. These data demonstrate that absence of a matricellular protein can result in increased cellular stress and highlight a novel protective role for CCN2 in chondrocyte survival. The severe chondrodysplasia caused by the loss of CCN2 may be due to increased chondrocyte stress and defective activation of autophagy pathways, leading to decreased cellular survival. These effects may be mediated through nuclear factor κB (NFκB) as part of a CCN2/integrin/NFκB signaling cascade.

Effects of estrogen on growth plate senescence and epiphyseal fusion

Estrogen is critical for epiphyseal fusion in both young men and women. In this study, we explored the cellular mechanisms by which estrogen causes this phenomenon. Juvenile ovariectomized female rabbits received either 70 μg/kg estradiol cypionate or vehicle i.m. once a week. Growth plates from the proximal tibia, distal tibia, and distal femur were analyzed after 2, 4, 6, or 8 weeks of treatment. In vehicle-treated animals, there was a gradual senescent decline in tibial growth rate, rate of chondrocyte proliferation, growth plate height, number of proliferative chondrocytes, number of hypertrophic chondrocytes, size of terminal hypertrophic chondrocytes, and column density. Estrogen treatment accelerated the senescent decline in all of these parameters. In senescent growth plates, epiphyseal fusion was observed to be an abrupt event in which all remaining chondrocytes were rapidly replaced by bone elements. Fusion occurred when the rate of chondrocyte proliferation approached zero. Estrogen caused this proliferative exhaustion and fusion to occur earlier. Our data suggest that (i) epiphyseal fusion is triggered when the proliferative potential of growth plate chondrocytes is exhausted; and (ii) estrogen does not induce growth plate ossification directly; instead, estrogen accelerates the programmed senescence of the growth plate, thus causing earlier proliferative exhaustion and consequently earlier fusion.

Expression of SHOX in human fetal and childhood growth plate

Abnormalities in the growth plate may lead to short stature and skeletal deformity including Leri Weil syndrome, which has been shown to result from deletions or mutations in the SHOX gene, a homeobox gene located at the pseudoautosomal region of the X and Y chromosome. We studied the expression of SHOX protein, by immunohistochemistry, in human fetal and childhood growth plates and mRNA by in situ hybridization in childhood normal and Leri Weil growth plate. SHOX protein was found in reserve, proliferative, and hypertrophic zones of fetal growth plate from 12 wk to term and childhood control and Leri Weil growth plates. The pattern of immunostaining in the proliferative zone of childhood growth plate was patchy, with more intense uniform immunostaining in the hypertrophic zone. In situ hybridization studies of childhood growth plate demonstrated SHOX mRNA expression throughout the growth plate. No difference in the pattern of SHOX protein or mRNA expression was seen between the control and Leri Weil growth plate. These findings suggest that SHOX plays a role in chondrocyte function in the growth plate.

Bone changes caused by experimental Solanum malacoxylon poisoning in rabbits

The aim of this study was to describe the bone changes observed after a daily oral administration of the calcinogenic plant Solanum malacoxylon (syn. S. glaucophyllum) (Sm) during 9 days. The Sm-poisoned rabbits had an increase of bone resorption in the endosteal surface of the cortical zone and also in the surface covered by osteoblasts of the primary and secondary spongiosa of the trabecular bone compartment. Moreover, the epiphyseal growth plates in long bones appeared narrower than in the control rabbits, with reduction of the proliferative and hyperthrophic chondrocyte zones. The electron microscopic study revealed a significant decrease of proteoglycans in the hyperthrophic chondrocyte zone evidenced by a significant reduction of rutenium red positive granules in the poisoned rabbit. Altogether, these data suggest that cell differentiation may play a pivotal role in the pathogenesis of Sm-induced bone lesions.

Estudo da atividade das enzimas envolvidas na ossificação de frangos de corte normais e acometidos por discondroplasia tibial

Pós-graduação em Biotecnologia - IQ

Características fenotípicas do nanismo em pôneis neonatos: relato de casos

Three newborn Mini-Horses and one Brazilian Pony horses were presented to the Veterinary Hospital with phenotypic appearance of dwarfism. They had relatively larger head conformation, occlusive dental defect and musculoskeletal changes such as abnormal short limbs and deformation on the third metatarsal bone. The radiographic examination showed abnormal growth plates on femoral condyle and proximal thirds metatarsal bones. Due to the high possibility of future complications and quality of life loss, the animals were euthanized. We emphasize the importance of recognition of phenotypic changes related to dwarfism in horses, enabling the phenotypic diagnosis can direct crossings for nontransmission of this abnormality as genetic inheritance.

Conditional and transgenic mouse models as tools to study the role of TGFbeta, BMP signaling in skeletal development

Die TGFbeta/BMP Signaltransduktionskaskade ist wichtig für viele Entwicklungsprozesse fast aller embryonaler sowie extraembryonaler Gewebe und sie ist ebenso essentiell bei der Aufrechterhaltung der Homöostase im adulten Organismus. In vielen Mausmodellen und Zellkulturversuchen wurde gezeigt, dass Liganden dieses Signalweges in verschiedene Stadien der Knorpel- und Knochenentwicklung involviert sind. BMPs sind beispielsweise maßgeblich an der frühen Kondensation und Bildung des Knorpels und später an Proliferation und Hypertrophie der Chondrozyten beteiligt. BMPs können ektopisch Knochenbildung auslösen und das Expressionsmuster der Liganden und spezifischen Rezeptoren in der Wachstumsfuge lässt auf eine wichtige Rolle der BMPs in der Wachstumsfuge schließen. Der gezielte knock out der BMP-Rezeptoren Bmpr1a und Bmpr1b in proliferierenden Chondrozyten führt zur Ausbildung einer generellen Chondrodysplasie. Smad1, Smad5 und Smad8 sind die Mediatoren der BMP-Signalkaskade. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Rolle und Funktion der Smad1- und Smad5-Proteine in der Wachstumsfuge untersucht werden. Hierzu wurden konditionale Smad1-knock out-Mäuse mit einer transgenen Mauslinie gekreuzt, die die Cre-Rekombinase spezifisch in proliferierenden Chondrozyten exprimiert. Diese Mäuse wurden mit und ohne heterozygotem Smad5-Hintergrund charakterisiert. Bei einem knock out von Smad1 allein konnte ein leichte Verkürzung der Wachstumsfuge beobachtet werden, wobei prähypertrophe und hypertrophe Zone gleichermaßen betroffen waren. Dieser Phänotyp war verstärkt in Mäusen mit zusätzlichem heterozygotem Smad5-Hintergrund. Eine Verringerung der Proliferationsrate konnte zusammen mit einer verminderten Ihh-Expression nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte anhand von Röntgenaufnahmen eine Dysorganisation der nasalen Region und ein fehlendes nasales Septum beobachtet werden. Produktion und Mineralisation der extrazellulären Matrix waren nicht beeinträchtigt. Um die Rolle der BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden während der endochondralen Ossifikation zu vergleichen, wurden transgene Mäuse generiert, in denen die TGFbeta-Signalkaskade spezifisch in proliferierenden Chondrozyten gestört war. Zwei Mauslinien, die ähnliche Phänotypen zeigten, wurden untersucht. Esl1 ist ein TGFbeta-bindendes Protein, von dem man annimmt, dass es die TGFbeta-Signalkaskade inhibieren kann. Esl1-knock out-Mäuse sind kleiner als Wildtypmäuse und die Überexpression von Esl1 in proliferierenden Chondrozyten führt zu einer Verlängerung der Wachstumsfuge und einer verstärkten Proliferationsrate. Knorpelmarker, wie Col2a1 und Sox9 sind in diesen Mäusen herunterreguliert, während Col10a1 und Ihh als Marker für die hypertrophe und prähypertrophe Zone herunterreguliert waren. Dies führt zu der Annahme, dass mehr Zellen in die terminale Differenzierung eintreten. Bei transgenen Mäusen, in denen ein dominant-negativer (dn) TGFbeta-Rezeptor in proliferierenden Chondrozyten überexprimiert wurde, konnte eine verlängerte prähypertrophe Zone, eine erhöhte Ihh-Expression, sowie eine verstärkte Proliferationsrate beobachtet werden. Zusätzlich konnte in homozygoten Tieren ein craniofacialer Phänotyp beschrieben werden, der zu Problemen bei der Nahrungsaufnahme und damit zu einer starken Wachstumsbeeinträchtigung führte. Die BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden haben möglicherweise antagonistische Effekte in der Wachstumsfuge. Während der Ausfall von BMP in proliferierenden Chondrozyten aufgrund einer gesunkenen Proliferationsrate zu einer Verkürzung der Wachstumsfuge führte, kann man in Mäusen mit einer Störung der TGFbeta-Signalkaskade eine verstärkte Proliferation in einer daher verlängerten Wachstumsfuge beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Generation einer transgenen Mauslinie, die die Cre-Rekombinase spezifisch in hypertrophen Chondrozyten exprimiert. Promoterstudien mit transgenen Mäusen weisen darauf hin, dass ein putatives AP1-Element, etwa 4 kb vor dem ersten Exon des Col10a1 gelegen, wichtig für die spezifische Expression in hypertrophen Chondrozyten ist. Ein Konstrukt, dass vier Kopien dieses Elements und den basalen Promoter enthält, wurde benutzt, um die Cre-Rekombinase spezifisch zu exprimieren. Diese Mauslinie befindet sich in der Testphase und erste Daten deuten auf eine spezifische Expression der Cre-Rekombinase in hypertrophen Chondrozyten hin.

Preparation of intact bovine tail intervertebral discs for organ culture

The intervertebral disc (IVD) is the joint of the spine connecting vertebra to vertebra. It functions to transmit loading of the spine and give flexibility to the spine. It composes of three compartments: the innermost nucleus pulposus (NP) encompassing by the annulus fibrosus (AF), and two cartilaginous endplates connecting the NP and AF to the vertebral body on both sides. Discogenic pain possibly caused by degenerative intervertebral disc disease (DDD) and disc herniations has been identified as a major problem in our modern society. To study possible mechanisms of IVD degeneration, in vitro organ culture systems with live disc cells are highly appealing. The in vitro culture of intact bovine coccygeal IVDs has advanced to a relevant model system, which allows the study of mechano-biological aspects in a well-controlled physiological and mechanical environment. Bovine tail IVDs can be obtained relatively easy in higher numbers and are very similar to the human lumbar IVDs with respect to cell density, cell population and dimensions. However, previous bovine caudal IVD harvesting techniques retaining cartilaginous endplates and bony endplates failed after 1-2 days of culture since the nutrition pathways were obviously blocked by clotted blood. IVDs are the biggest avascular organs, thus, the nutrients to the cells in the NP are solely dependent on diffusion via the capillary buds from the adjacent vertebral body. Presence of bone debris and clotted blood on the endplate surfaces can hinder nutrient diffusion into the center of the disc and compromise cell viability. Our group established a relatively quick protocol to "crack"-out the IVDs from the tail with a low risk for contamination. We are able to permeabilize the freshly-cut bony endplate surfaces by using a surgical jet lavage system, which removes the blood clots and cutting debris and very efficiently reopens the nutrition diffusion pathway to the center of the IVD. The presence of growth plates on both sides of the vertebral bone has to be avoided and to be removed prior to culture. In this video, we outline the crucial steps during preparation and demonstrate the key to a successful organ culture maintaining high cell viability for 14 days under free swelling culture. The culture time could be extended when appropriate mechanical environment can be maintained by using mechanical loading bioreactor. The technique demonstrated here can be extended to other animal species such as porcine, ovine and leporine caudal and lumbar IVD isolation.

Anterior Cruciate Ligament Injuries in Children and Adolescents: A Review of the Recent Literature

In contrast to the treatment of avulsion lesions of the anterior cruciate ligament (ACL) the management of intrasubstance ACL tears in the skeletally immature patient remains controversial. Prospective studies could show that conservative treatment results in severe instability with concomitant intraarticular damage and poor function of the knee. Reconstruction of a torn ACL always carries the risk of damaging the open growth plates; with consecutively affecting the longitudinal or axial growth of the lower extremity either on the femoral or the tibial side. Thus, several surgical procedures are available to prevent adverse events mentioned above. The purpose of this study is to review the recent literature regarding the treatment algorithm for ACL injuries in skeletally immature patients. This review will (1) investigate the indications for ACL surgery in children; (2) determine if a surgical procedure is clinically superior in skeletally immature patients; and (3) correlate the adverse events with the surgical technique.