Cécile Baron (Institut des Sciences du Mouvement, Marseille). Ultrasons et remodelage osseux : comprendre la mécanotransduction.

L’os est un tissu vivant capable de s’adapter à son environnement mécanique qu’il soit physiologique (gravité, activité physique et sportive) ou pathologique (fracture, alitement). La traduction du stimulus mécanique en réponse biologique est appelée mécanotransduction.

L’effet de la stimulation ultrasonore sur la cicatrisation osseuse découvert dans les années 50 est largement décrit dans la littérature depuis plus de 30 ans. Pour autant, les phénomènes physiques et biologiques pilotant la mécanotransduction ultrasonore demeurent mal compris et cette incompréhension alimente la controverse autour de l’effet bénéfique des ultrasons sur le remodelage osseux. 

Les travaux menés sur la mécanotransduction de l’os mettent en évidence le rôle central des ostéocytes dans la détection des stimuli mécaniques et le déclenchement des processi biologiques de remodelage osseux. Mais toutes ces études concernent des chargements mécaniques physiologiques très différents des chargements générés par ultrasons (fréquence, intensité, direction).

Nous proposons donc d’évaluer les sollicitations mécaniques (fluides et solides) générées au niveau des ostéocytes par la stimulation ultrasonore. Pour cela, on développe un modèle numérique aux éléments finis (Comsol^TM Multiphysics) représentant une section d’os cortical sous stimulation ultrasonore dans une configuration proche de l’in vivo. La porosité lacuno-canaliculaire contenant les ostéocytes est prise en compte en considérant une matrice osseuse poroélastique (théorie de Biot). Par ailleurs, afin d’explorer la réponse biologique déclenchée par la contrainte mécanique ainsi caractérisée, nous développons un protocole expérimental de stimulation ultrasonore de cultures de cellules osseuses.

English version.

Ultrasound and bone remodelling: understanding mechanotransduction.

Bone is a living tissue capable of adapting to its mechanical environment, whether physiological (gravity, physical activity and sport) or pathological (fracture, bed rest). The translation of the mechanical stimulus into a biological response is called mechanotransduction.

The effect of ultrasound stimulation on bone healing discovered in the 1950s has been widely described in the literature for more than 30 years. However, the physical and biological phenomena driving ultrasonic mechanotransduction remain poorly understood and this misunderstanding fuels controversy over the beneficial effect of ultrasound on bone remodeling. 

Work on bone mechanotransduction highlights the central role of osteocytes in detecting mechanical stimuli and triggering biological bone remodeling processes. But all these studies concern physiological mechanical loads that are very different from those generated by ultrasound (frequency, intensity, direction).

We therefore propose to evaluate the mechanical stresses (fluid and solid) generated at the osteocytes by ultrasonic stimulation. For this purpose, a finite element numerical model (Comsol^TM Multiphysics) is developed representing a cortical bone cross-section under ultrasonic stimulation in a configuration close to in vivo. The lacuno-canalicular porosity containing osteocytes is taken into account by considering a poroelastic bone matrix (Biot theory). In addition, in order to explore the biological response triggered by the mechanical stress thus characterized, we are developing an experimental protocol for ultrasonic stimulation of bone cell cultures.