Méchano-régulation de la solidité osseuse

[Nutrimuscle-Conseils]

Mechano-regulation of bone adaptation is controlled by the local in vivo environment and logarithmically dependent on loading frequency
Ariane C. Scheuren, bioRxiv posted 16 May 2020

It is well established that cyclic, but not static, mechanical loading has anabolic effects on bone. However, the function describing the relationship between the loading frequency and the amount of bone adaptation remains unclear. Using a combined experimental and computational approach, this study aimed to investigate whether bone mechano-regulation is controlled by mechanical signals in the local in vivo environment and dependent on loading frequency. Specifically, by combining in vivo micro-computed tomography (micro-CT) imaging with micro-finite element (micro-FE) analysis, we monitored the changes in microstructural as well as the mechanical in vivo environment (strain energy density (SED) and SED gradient) of mouse caudal vertebrae over 4 weeks of either cyclic loading at varying frequencies of 2Hz, 5Hz, or 10Hz, respectively or static loading.

Higher values of SED and SED gradient on the local tissue level led to an increased probability of bone formation and a decreased probability of bone resorption. In all loading groups, the SED gradient was superior in the determination of local bone formation and resorption events as compared to SED. Cyclic loading induced positive net remodeling rates when compared to sham and static loading, mainly due to an increase in mineralizing surface and a decrease in eroded surface.

Consequently, bone volume fraction increased over time in 2Hz, 5Hz and 10Hz (+15%, +21% and +24%, p<0.0001), while static loading led to a decrease in bone volume fraction (-9%, p≤0.001). Furthermore, regression analysis revealed a logarithmic relationship between loading frequency and the net change in bone volume fraction over the four week observation period (R2=0.74).

In conclusion, these results suggest that bone adaptation is regulated by mechanical signals in the local in vivo environment and furthermore, that mechano-regulation is logarithmically dependent on loading frequency with frequencies below a certain threshold having catabolic effects, and those above anabolic effects. This study thereby provides valuable insights towards a better understanding of the mechanical signals influencing bone formation and resorption in the local in vivo environment.

[Nutrimuscle-Conseils]

While SED is widely used as a mathematical term to describe the mechanical signal influencing bone remodeling [15, 19-21], other mechanical signals, such as interstitial fluid flow through the lacuna-canalicular network (LCN), are also known to play a major role in determining the local mechanical environment surrounding osteocytes, the main mechanosensors in bone.

Although one would expect higher loading frequencies to lead to higher cellular stimulation and a consequent greater anabolic response, it has been suggested that frequencies above a certain threshold (10Hz) reduce the efficiency of fluid flow through the LCN, thus resulting in inefficient mechanotransduction

[Nutrimuscle-Diététique]

Traduction de l'étude

La mécano-régulation de l'adaptation osseuse est contrôlée par l'environnement local in vivo et dépend logarithmiquement de la fréquence de chargement
Ariane C. Scheuren, bioRxiv publié le 16 mai 2020

Il est bien établi que la charge mécanique cyclique, mais non statique, a des effets anabolisants sur les os. Cependant, la fonction décrivant la relation entre la fréquence de chargement et la quantité d'adaptation osseuse reste incertaine. En utilisant une approche combinée expérimentale et informatique, cette étude visait à déterminer si la mécanorégulation osseuse est contrôlée par des signaux mécaniques dans l'environnement local in vivo et dépend de la fréquence de chargement. Plus précisément, en combinant l'imagerie par tomodensitométrie micro-in vivo (micro-CT) avec l'analyse par micro-éléments finis (micro-FE), nous avons suivi les changements dans l'environnement microstructural et mécanique in vivo (densité d'énergie de déformation (SED) et Gradient SED) des vertèbres caudales de souris pendant 4 semaines de chargement cyclique à des fréquences variables de 2 Hz, 5 Hz ou 10 Hz, respectivement, ou de chargement statique.

Des valeurs plus élevées de SED et de gradient SED au niveau du tissu local ont conduit à une probabilité accrue de formation osseuse et à une probabilité réduite de résorption osseuse. Dans tous les groupes de charge, le gradient SED était supérieur dans la détermination des événements locaux de formation osseuse et de résorption par rapport au SED. La charge cyclique a induit des taux de remodelage nets positifs par rapport à la charge fictive et statique, principalement en raison d'une augmentation de la surface minéralisante et d'une diminution de la surface érodée.

Par conséquent, la fraction du volume osseux a augmenté au fil du temps à 2 Hz, 5 Hz et 10 Hz (+ 15%, + 21% et + 24%, p <0,0001), tandis que la charge statique a entraîné une diminution de la fraction du volume osseux (-9%, p≤ 0,001). De plus, l'analyse de régression a révélé une relation logarithmique entre la fréquence de chargement et la variation nette de la fraction de volume osseux au cours de la période d'observation de quatre semaines (R2 = 0,74).

En conclusion, ces résultats suggèrent que l'adaptation osseuse est régulée par des signaux mécaniques dans l'environnement local in vivo et en outre, que la mécanorégulation dépend logarithmiquement de la fréquence de chargement avec des fréquences inférieures à un certain seuil ayant des effets cataboliques et celles supérieures aux effets anaboliques. Cette étude fournit ainsi des informations précieuses pour une meilleure compréhension des signaux mécaniques influençant la formation et la résorption osseuse dans l'environnement local in vivo.

Alors que SED est largement utilisé comme terme mathématique pour décrire le signal mécanique influençant le remodelage osseux [15, 19-21], d'autres signaux mécaniques, tels que l'écoulement de liquide interstitiel à travers le réseau lacunaire-canaliculaire (LCN), sont également connus pour jouer un rôle majeur dans la détermination de l'environnement mécanique local entourant les ostéocytes, principaux mécanocapteurs osseux.

Bien que l'on s'attende à ce que des fréquences de charge plus élevées conduisent à une stimulation cellulaire plus élevée et à une réponse anabolique plus conséquente, il a été suggéré que les fréquences supérieures à un certain seuil (10 Hz) réduisent l'efficacité du flux de fluide à travers le LCN, entraînant ainsi une mécanotransduction inefficace