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Société de biomécanique
Le Blog

Article par N. Mühl Castoldi, lauréate d'une bourse de collaboration de recherche pour les jeunes chercheurs pour le congrès de la Société de Biomécanique 2021.

 

La scoliose est la pathologie rachidienne la plus fréquente chez les enfants et les adolescents et consiste en une déformation progressive et anormale de la colonne vertébrale. Lorsque la scoliose ne peut être expliquée par des causes connues, elle est dite idiopathique, et a une prévalence de 0,47 à 5,2 %1, et peut être associée à des pathologies invalidantes, pouvant entraîner un taux de mortalité élevé2.  Les théories les plus populaires sur l’étiologie de la SIA sont liées à la croissance3. Ainsi, comprendre les mécanismes de développement du rachis et être capable de les modéliser, peut contribuer à appréhender les effets néfastes de la SIA, voire à les contrer en développant des traitements personnalisés pour modifier, contrôler ou inverser sa progression. Par conséquent, l'objectif de mon projet de thèse est d'étudier les effets des stimuli mécaniques et biochimiques sur l'évolution de la forme du rachis (croissance). Les modèles de croissance existants ne permettent pas d’élucider les liens de causalité entre le développement de la scoliose et les effets de l’environnement mécanique et biochimique des cellules. Pour pallier ce problème, nous avons proposé une approche mettant en écho les échelles de l’organe, du tissu et de la cellule dans une véritable démarche mécanobiologique. Notre méthodologie intègre des analyses expérimentales, des modèles théoriques et des simulations, pour comprendre les mécanismes fondamentaux responsables d’une croissance pathologique (Fig. 1).

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Figure 1.  Schéma de la méthodologie proposée. Couplage des modèles théoriques de croissance et des données expérimentales de patients scoliotiques appliqués à des simulations numériques pour prévoir l'évolution de la SIA.

Concernant la modélisation, nous développons un modèle de croissance volumique à l’échelle du tissu (Fig. 1A) s’inscrivant dans le cadre de la théorie de la mécanique des milieux continus généralisés4, notamment de sa déclinaison proposée par DiCarlo et Quiligotti5. En outre, nous nous inspirons des travaux de Martin et al6 pour connecter l’échelle du tissu à celle de la cellule et modéliser la dynamique cellulaire en fonction des stimuli biochimiques et mécaniques.

Notre étude intègre aussi des analyses expérimentales réalisées en partenariat avec le Biomechanics and Spine Research Group (BSRG) de la Queensland University of Technology (QUT) dans le cadre de l’International Research Action (IEA) ROSIA du CNRS7. Notre partenaire a construit une base de données cliniques longitudinales d’imagerie et croissance de patients atteints de scolioses (Fig. 1B). Ces données seront un atout majeur pour mieux comprendre les mécanismes fondamentaux responsables d’une croissance pathologique du rachis et accompagner la modélisation.

Fig2

Figure 2. Evolution de la SIA (plan frontal). (A) Forces appliquées sur le rachis scoliotique par un corset. (B) Morphologie après 6 ans d’utilisation du corset. (C) Déviation latérale mesurée à l’apex (point marqué en rouge sur la figure (A)).

Enfin, nous développons des modèles numériques pour implémenter les modèles théoriques (Fig. 1C). Alimentées par nos données cliniques, ces simulations permettront de tester in silico différentes hypothèses étiologiques sur l’origine de la SIA et prédire les effets de divers choix thérapeutiques, notamment en termes de morphologie du rachis et de ses éléments (longueur et déviation latérale du rachis …).  Par exemple, cette méthodologie nous a permis de simuler les effets d’un traitement par port de corset (Fig. 2). Dans une étude préliminaire ayant simulé le port d’un corset pendant six ans, nous avons observé que les forces transmises à la colonne vertébrale (Fig. 2A) peuvent contribuer à contrer les effets de la SIA en réduisant la déformation du rachis (Fig. 2B : morphologie du rachis ; Fig. 2C : déviation latérale).

Finalement, la simulation du traitement d’un rachis scoliotique par le port d’un corset a donné des résultats prometteurs. Couplée avec des modèles géométriques détaillés du rachis, cette méthodologie a donc le potentiel d’accompagner la conception de dispositifs médicaux et de plans de traitement personnalisés. Ce projet de recherche offrira des opportunités sans précédent pour mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de la croissance et du remodelage osseux dans la SIA, afin d’accompagner la pratique clinique, voire explorer de nouvelles formes de traitement pour cette pathologie.

Références

  1. Konieczny, M. R., Senyurt, H., & Krauspe, R. (2013). Epidemiology of adolescent idiopathic scoliosis. Journal of children's orthopaedics7(1), 3-9.
  2. Wong, H. K., & Tan, K. J. (2010). The natural history of adolescent idiopathic scoliosis. Indian journal of orthopaedics44(1), 9-13.
  3. Smit, T. H. (2020). Adolescent idiopathic scoliosis: the mechanobiology of differential growth. JOR spine3(4), e1115.
  4. Germain, P. (1973). The method of virtual power in continuum mechanics. Part 2: Microstructure. SIAM Journal on Applied Mathematics25(3), 556-575.
  5. DiCarlo, A., & Quiligotti, S. (2002). Growth and balance. Mechanics Research Communications29(6), 449-456.
  6. Martin, M., Pivonka, P., Haïat, G., Sansalone, V., & Lemaire, T. (2019). An enriched continuum mechanics description of bone tissue to describe mineralization and mechanobiology in bone remodeling. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering22(sup1), S74-S75.
  7. CNRS IEA-ROSIA. French-Australian International Emerging Action on Engineering https://oceania.cnrs.fr/project/iea-rosia/

L’auteur

photoAutrice

Natalia Mühl Castoldi, Université Paris-Est Créteil, MSME, Créteil France, et Queensland University of Technology, BSRG, Brisbane Australie.

Natalia M. Castoldi est titulaire d’un diplôme d’ingénieur en mécanique à l’école d’ingénieurs SIGMA Clermont et à l’Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Elle prépare actuellement une thèse en cotutelle à l’université Paris-Est Créteil et à Queensland University of Technology avec le but de comprendre la croissance et le remodelage de la colonne vertébrale dans des conditions saines et pathologiques en utilisant une approche expérimentale et computationnelle. Natalia a été lauréate de la bourse de collaboration de recherche pour les jeunes chercheurs de la Société de Biomécanique.

 

 

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