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

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.

Endochondral ossification in vitro is influenced by mechanical bending

Bone development is influenced by the local mechanical environment. Experimental evidence suggests that altered loading can change cell proliferation and differentiation in chondro- and osteogenesis during endochondral ossification. This study investigated the effects of three-point bending of murine fetal metatarsal bone anlagen in vitro on cartilage differentiation, matrix mineralization and bone collar formation. This is of special interest because endochondral ossification is also an important process in bone healing and regeneration. Metatarsal preparations of 15 mouse fetuses stage 17.5 dpc were dissected en bloc and cultured for 7 days. After 3 days in culture to allow adherence they were stimulated 4 days for 20 min twice daily by a controlled bending of approximately 1000-1500 microstrain at 1 Hz. The paraffin-embedded bone sections were analyzed using histological and histomorphometrical techniques. The stimulated group showed an elongated periosteal bone collar while the total bone length was not different from controls. The region of interest (ROI), comprising the two hypertrophic zones and the intermediate calcifying diaphyseal zone, was greater in the stimulated group. The mineralized fraction of the ROI was smaller in the stimulated group, while the absolute amount of mineralized area was not different. These results demonstrate that a new device developed to apply three-point bending to a mouse metatarsal bone culture model caused an elongation of the periosteal bone collar, but did not lead to a modification in cartilage differentiation and matrix mineralization. The results corroborate the influence of biophysical stimulation during endochondral bone development in vitro. Further experiments with an altered loading regime may lead to more pronounced effects on the process of endochondral ossification and may provide further insights into the underlying mechanisms of mechanoregulation which also play a role in bone regeneration.

Beef carcasses with larger eye muscle areas, lower ossification scores and improved nutrition have a lower incidence of dark cutting

This study evaluated the effect of eye muscle area (EMA), ossification, carcass weight, marbling and rib fat depth on the incidence of dark cutting (pH u > 5.7) using routinely collected Meat Standards Australia (MSA) data. Data was obtained from 204,072 carcasses at a Western Australian processor between 2002 and 2008. Binomial data of pH u compliance was analysed using a logit model in a Bayesian framework. Increasing eye muscle area from 40 to 80 cm 2, increased pH u compliance by around 14% (P < 0.001) in carcasses less than 350 kg. As carcass weight increased from 150 kg to 220 kg, compliance increased by 13% (P < 0.001) and younger cattle with lower ossification were also 7% more compliant (P < 0.001). As rib fat depth increased from 0 to 20 mm, pH u compliance increased by around 10% (P < 0.001) yet marbling had no effect on dark cutting. Increasing musculature and growth combined with good nutrition will minimise dark cutting beef in Australia.

Temporal Characterization of Ossification of the Crania in Australian Subadults: New standards for Age Estimation using Computed Tomography

After attending this presentation, attendees will gain awareness of the ontogeny of cranial maturation, specifically: (1) the fusion timings of primary ossification centers in the basicranium; and (2) the temporal pattern of closure of the anterior fontanelle, to develop new population-specific age standards for medicolegal death investigation of Australian subadults. This presentation will impact the forensic science community by demonstrating the potential of a contemporary forensic subadult Computed Tomography (CT) database of cranial scans and population data, to recalibrate existing standards for age estimation and quantify growth and development of Australian children. This research welcomes a study design applicable to all countries faced with paucity in skeletal repositories. Accurate assessment of age-at-death of skeletal remains represents a key element in forensic anthropology methodology. In Australian casework, age standards derived from American reference samples are applied in light of scarcity in documented Australian skeletal collections. Currently practitioners rely on antiquated standards, such as the Scheuer and Black1 compilation for age estimation, despite implications of secular trends and population variation. Skeletal maturation standards are population specific and should not be extrapolated from one population to another, while secular changes in skeletal dimensions and accelerated maturation underscore the importance of establishing modern standards to estimate age in modern subadults. Despite CT imaging becoming the gold standard for skeletal analysis in Australia, practitioners caution the application of forensic age standards derived from macroscopic inspection to a CT medium, suggesting a need for revised methodologies. Multi-slice CT scans of subadult crania and cervical vertebrae 1 and 2 were acquired from 350 Australian individuals (males: n=193, females: n=157) aged birth to 12 years. The CT database, projected at 920 individuals upon completion (January 2014), comprises thin-slice DICOM data (resolution: 0.5/0.3mm) of patients scanned since 2010 at major Brisbane Childrens Hospitals. DICOM datasets were subject to manual segmentation, followed by the construction of multi-planar and volume rendering cranial models, for subsequent scoring. The union of primary ossification centers of the occipital bone were scored as open, partially closed or completely closed; while the fontanelles, and vertebrae were scored in accordance with two stages. Transition analysis was applied to elucidate age at transition between union states for each center, and robust age parameters established using Bayesian statistics. In comparison to reported literature, closure of the fontanelles and contiguous sutures in Australian infants occur earlier than reported, with the anterior fontanelle transitioning from open to closed at 16.7±1.1 months. The metopic suture is closed prior to 10 weeks post-partum and completely obliterated by 6 months of age, independent of sex. Utilizing reverse engineering capabilities, an alternate method for infant age estimation based on quantification of fontanelle area and non-linear regression with variance component modeling will be presented. Closure models indicate that the greatest rate of change in anterior fontanelle area occurs prior to 5 months of age. This study complements the work of Scheuer and Black1, providing more specific age intervals for union and temporal maturity of each primary ossification center of the occipital bone. For example, dominant fusion of the sutura intra-occipitalis posterior occurs before 9 months of age, followed by persistence of a hyaline cartilage tongue posterior to the foramen magnum until 2.5 years; with obliteration at 2.9±0.1 years. Recalibrated age parameters for the atlas and axis are presented, with the anterior arch of the atlas appearing at 2.9 months in females and 6.3 months in males; while dentoneural, dentocentral and neurocentral junctions of the axis transitioned from non-union to union at 2.1±0.1 years in females and 3.7±0.1 years in males. These results are an exemplar of significant sexual dimorphism in maturation (p<0.05), with girls exhibiting union earlier than boys, justifying the need for segregated sex standards for age estimation. Studies such as this are imperative for providing updated standards for Australian forensic and pediatric practice and provide an insight into skeletal development of this population. During this presentation, the utility of novel regression models for age estimation of infants will be discussed, with emphasis on three-dimensional modeling capabilities of complex structures such as fontanelles, for the development of new age estimation methods.

Fracture healing via periosteal callus formation requires macrophages for both initiation and progression of early endochondral ossification

The distribution, phenotype, and requirement of macrophages for fracture-associated inflammation and/or early anabolic progression during endochondral callus formation were investigated. A murine femoral fracture model [internally fixed using a flexible plate (MouseFix)] was used to facilitate reproducible fracture reduction. IHC demonstrated that inflammatory macrophages (F4/80+Mac-2+) were localized with initiating chondrification centers and persisted within granulation tissue at the expanding soft callus front. They were also associated with key events during soft-to-hard callus transition. Resident macrophages (F4/80+Mac-2neg), including osteal macrophages, predominated in the maturing hard callus. Macrophage Fas-induced apoptosis transgenic mice were used to induce macrophage depletion in vivo in the femoral fracture model. Callus formation was completely abolished when macrophage depletion was initiated at the time of surgery and was significantly reduced when depletion was delayed to coincide with initiation of early anabolic phase. Treatment initiating 5 days after fracture with the pro-macrophage cytokine colony stimulating factor-1 significantly enhanced soft callus formation. The data support that inflammatory macrophages were required for initiation of fracture repair, whereas both inflammatory and resident macrophages promoted anabolic mechanisms during endochondral callus formation. Overall, macrophages make substantive and prolonged contributions to fracture healing and can be targeted as a therapeutic approach for enhancing repair mechanisms. Thus, macrophages represent a viable target for the development of pro-anabolic fracture treatments with a potentially broad therapeutic window...

Familial ossification of the stylohyoid ligament in a three generation family--a new clinical entity displaying autosomal dominant inheritance

Ossification of the stylohyoid ligament is very common in the Caucasian population. More than 9000 descriptions of apparently isolated case reports on PubMed have been cited over the last 20 years, often associated with an incidental finding on imaging after neck trauma. No cases of familial ossification have been described. We document a family with several affected members, each with an ossified stylohyoid ligament, confirming that ossification may be hereditary in some families and is most likely due to an autosomal dominant gene.

Calcification and ossification of the convexity of the falx cerebri and related subdural space in human cadavers

OBJECTIVE: The present work was planned to report the incidence of calcification and ossification of an isolated cranial dural fold. The form, degree of severity and range of extension of such changes will be described. Involvement of the neighboring brain tissue and blood vessels, whether meningeal or cerebral, will also be determined. The results of this study might highlight the occasional incidence of intracranial calcification and ossification in images of the head and their interpretation, by radiologists and neurologists, to be of dural or vascular origin.

METHODS: Two human formalin-fixed cadavers, one middle-aged female another older male, were investigated at the Anatomy Laboratory, College of Medicine, King Faisal University, Dammam, Kingdom of Saudi Arabia during the period from 2000 to 2003. In each cadaver, the skullcap was removed and the convexity of the cranial dura mater, as well as the individual dural folds, were carefully examined for any calcification or ossification. The meningeal and cerebral blood vessels together with the underlying brain were grossly inspected for such structural changes. Calcified or ossified tissues, when identified, were subjected to histological examination to confirm their construction.

RESULTS: The female cadaver showed a calcified parietal emissary vein piercing the skullcap and projecting into the scalp. The latter looked paler and deficient in hair on its right side. The base of the stump was surrounded by a granular patch of calcification. The upper convex border of the falx cerebri was hardened and it presented granules, plaques and a cauliflower mass, which all proved to be osseous in structure. The meningeal and right cerebral vessels were mottled with calcium granules. The underlying temporal and parietal lobes of the right cerebral hemisphere were degenerated. The male cadaver also revealed a calcified upper border of the falx cerebri and superior sagittal sinus. Osseous granules and plaques, similar to those of the first specimen, were also identified but without gross changes in the underlying brain.

CONCLUSION: Calcification or ossification of an isolated site of the cranial dura mater and the intracranial blood vessels might occur. These changes should be kept in mind while interpreting images of the skull and brain. Clinical assessment and laboratory investigations are required to determine whether these changes are idiopathic, traumatic, or as a manifestation of a generalized disease such as hyperparathyroidism, vitamin D-intoxication, or chronic renal failure.

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.

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.

Kinetic characterization of a membrane-specific ATPase from rat osseous plate and its possible significance on endochondral ossification

Treatment with phosphatidylinositol-specific phospholipase C of rat osseous plate membranes released up to 90-95% of alkaline phosphatase, but a specific ATPase activity (optimum pH = 7.5) remained bound to the membrane. The hydrolysis of ATP by this ATPase was negligible in the absence of magnesium or calcium ions. However, at millimolar concentrations of magnesium and calcium ions, the membrane-specific ATPase activity increased to about 560-600 U/mg, exhibiting two classes of ATP-hydrolysing sites, and site-site interactions. GTP, UTP, ITP, and CTP were also hydrolyzed by the membrane-specific ATPase. Oligomycin, ouabain, bafilomycin A(1), thapsigargin, omeprazole, ethacrynic acid and EDTA slightly affected membrane-specific ATPase activity while vanadate produced a 18% inhibition. The membrane-specific ATPase activity was insensitive to theophylline, but was inhibited 40% by levamisole. These data suggested that the membrane-specific ATPase activity present in osseous plate membranes, and alkaline phosphatase, were different proteins. (C) 1998 Elsevier B.V. B.V.