Observation clinique de la diminution de la qualité et de la quantité d'os par RH longitudinale

Oct 18, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17960 (2022) Citer cet article

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La tomodensitométrie quantitative périphérique à haute résolution (HR-pQCT) fournit des méthodes pour quantifier la densité minérale osseuse volumétrique et la microarchitecture nécessaires au diagnostic précoce de la maladie osseuse. Lorsqu'il est combiné avec un protocole d'imagerie longitudinale et une analyse par éléments finis, HR-pQCT peut être utilisé pour évaluer la formation et la résorption osseuse (c'est-à-dire le remodelage) et la relation entre ce remodelage et la charge mécanique (c'est-à-dire la mécanorégulation) au niveau tissulaire. Ici, 25 patients avec une fracture du radius distal controlatéral ont été imagés avec HR-pQCT au départ et 9 à 12 mois de suivi : 16 patients ont reçu de la vitamine D3 avec/sans supplément de calcium sur la base de mesures de biomarqueurs sanguins du métabolisme osseux et du double- Absorptiométrie par rayons X énergétique Mesures basées sur l'image de la quantité osseuse normative qui indiquaient une diminution (n = 9) ou une faible (n = 7) quantité osseuse et 9 ne l'étaient pas. Pour évaluer la sensibilité de ce protocole d'imagerie aux changements microstructuraux, des images HR-pQCT ont été enregistrées pour la quantification du remodelage osseux et une analyse par éléments microfinis basée sur l'image a ensuite été utilisée pour prédire les contraintes osseuses locales et en déduire des règles de mécanorégulation. Les fractions volumiques de remodelage étaient prédites par les valeurs moyennes de l'épaisseur trabéculaire et corticale et de la densité minérale osseuse (R2 > 0,8), tandis que la mécanorégulation était affectée par la dominance du bras et la classification des groupes (p < 0,05). Dans l'ensemble, l'analyse HR-pQCT longitudinale et étendue a permis d'identifier des changements dans la quantité et la qualité de l'os trop subtils pour les mesures traditionnelles.

Environ 10 % des personnes âgées souffrent d'ostéoporose et 40 % de la même population sont touchés par l'ostéopénie1,2. Les deux conditions sont caractérisées par une faible masse osseuse et un risque élevé de fractures débilitantes et souvent mortelles. En fait, la probabilité à vie d'une fracture ostéoporotique majeure causée par une mauvaise santé osseuse (hanche, colonne vertébrale, humérus proximal ou radius distal) est de 20 % chez les hommes et de 50 % chez les femmes3,4. Cependant, les patients atteints d'ostéopénie ne sont souvent ni diagnostiqués ni traités en raison d'une détérioration plus subtile de la qualité et de la quantité d'os5,6, ce qui les rend vulnérables à une dégénérescence osseuse supplémentaire. Lorsqu'ils sont reconnus cliniquement, les patients ayant une faible masse osseuse se voient souvent recommander initialement des suppléments, tels que la vitamine D3 ou le calcium. Si la masse osseuse n'est pas augmentée ou maintenue, les patients peuvent se voir prescrire des médicaments ostéoanabolisants ou anti-résorptifs ; cependant, ces traitements ne sont pas toujours efficaces et ont souvent une efficacité décroissante avec le temps, ce qui entraîne de mauvais résultats à long terme.

Outre les problèmes liés aux traitements potentiels, un obstacle majeur à l'aide aux patients atteints d'ostéoporose ou d'ostéopénie est le manque de dépistage préventif. Cliniquement, la quantité osseuse est souvent mesurée par la quantification du contenu minéral osseux (CMO, en grammes) et de la densité minérale osseuse surfacique (DMO, en g/cm2) du radius, de la hanche et/ou de la colonne vertébrale à l'aide d'une absorptiométrie à rayons X à double énergie (DXA). Avec la création de grandes bases de données normatives et mesurées longitudinalement, l'utilisation des mesures DXA et DMO est devenue la norme de soins dans le diagnostic clinique et la gestion de l'ostéoporose et de l'ostéopénie. Ici, des seuils diagnostiques, établis comme des écarts-types supérieurs ou inférieurs à une moyenne de référence jeune adulte (T-scores), sont utilisés pour classer les patients en catégories descriptives : normal (T-score ≥ − 1 SD), faible masse osseuse ou ostéopénie (T -score < − 1 et > − 2,5 SD), et ostéoporose (T-score ≤ − 2,5 SD)7. Cependant, le premier signe cliniquement reconnu de faible masse osseuse est souvent une fracture de fragilité et les mesures de la DMO par DXA peuvent ne pas être prescrites avant une fracture8. De plus, il a été démontré que les mesures de la DMO de la DXA n'ont pas la sensibilité nécessaire pour servir d'outil efficace d'évaluation du risque de fracture9,10,11, même en combinaison avec les facteurs de risque individuels du patient dans l'outil d'évaluation du risque de fracture (FRAX®)12,13. Le manque de sensibilité de la DXA, avec ou sans l'ajout de FRAX, suggère que la qualité osseuse et la microarchitecture jouent un rôle clé dans la prédiction du risque de fracture individuel.

Pour mieux tenir compte des changements plus subtils de la qualité et de la résistance des os, indicatifs de l'apparition de l'ostéopénie ou de l'ostéoporose, des mesures alternatives basées sur l'image ont été introduites pour évaluer la santé osseuse et le risque de fracture. Trabecular Bone Score (TBS)14, un outil basé sur la DXA pour se rapprocher de la microstructure osseuse à l'aide d'une analyse basée sur la texture, s'est avéré augmenter la valeur pronostique de la DMO et du FRAX15,16. Cependant, cette technique ne fournit qu'une évaluation 2D de la colonne lombaire et s'est avérée avoir une reproductibilité inférieure à DXA14. L'analyse biomécanique par tomodensitométrie (CT) (BCT), une analyse par éléments finis (FE) basée sur l'image conçue pour mesurer la résistance osseuse à partir d'images CT cliniques de la hanche ou de la colonne vertébrale, a récemment été approuvée pour les tests de diagnostic de l'ostéoporose aux États-Unis17. En tenant compte à la fois de la géométrie osseuse du patient 3D et des propriétés des matériaux, la BCT a été utilisée pour regrouper avec succès les patients en catégories à risque de fracture faible et élevé et fournir une mesure complète de la résistance osseuse17,18. Bien que la BCT semble être un outil puissant pour évaluer la santé des os, des implémentations variées à travers les groupes et les institutions entraînent différentes prédictions de la résistance osseuse. En raison de cette variabilité, l'évaluation des changements longitudinaux à l'aide de la BCT est plus robuste que les mesures absolues19. Cependant, l'utilisation généralisée du BCT longitudinal est peu probable car la dose de rayonnement relativement élevée de chaque scanner (286 à 506 µSV pour un scanner de la hanche à faible dose) limite le BCT à l'utilisation de scanners acquis à des fins cliniques non liées20.

La tomodensitométrie quantitative périphérique à haute résolution (HR-pQCT), une technologie d'imagerie diagnostique émergente avec une faible dose de rayonnement efficace (3 à 5 μSv), permet l'évaluation de la morphométrie et de la densitométrie osseuse 3D, y compris la DMO volumétrique21, sur des sites périphériques tels que la partie distale radius et tibia. En plus de la mesure directe de la DMO en 3D, ces images haute résolution peuvent être utilisées pour évaluer à la fois les propriétés structurelles spécifiques au compartiment (c'est-à-dire corticales et trabéculaires) et les propriétés mécaniques osseuses, telles que la rigidité et la résistance par analyse FE22,23. Une étude comprenant des cohortes internationales de patients a révélé que la charge de défaillance estimée basée sur le HR-pQCT au niveau du tibia et du radius était le facteur prédictif le plus puissant de fracture incidente, indépendamment de la DMO basée sur la DXA du col fémoral et de FRAX6. En outre, la capacité de suivre les changements dans les compartiments corticaux et trabéculaires a révélé à la fois des caractéristiques liées à l'âge24,25,26 et spécifiques à la maladie6,26,27,28 qui n'avaient pas été réalisées auparavant à l'aide de mesures régionales basées sur la DXA. Cependant, les mesures régionales et tissulaires ne tirent pas pleinement parti des capacités du HR-pQCT, qui, lorsqu'elles sont combinées à un protocole d'imagerie longitudinale, incluent une analyse microstructurale du remodelage osseux29 par morphométrie dynamique qui permet la quantification directe de la formation et de la résorption osseuses et de l'association de ce remodelage avec la sollicitation mécanique de l'os, c'est-à-dire la mécanorégulation30,31. À ce jour, la capacité de ces outils d'analyse HR-pQCT longitudinaux étendus à détecter des changements cliniquement pertinents dans la qualité et la quantité d'os n'a pas encore été étudiée de manière approfondie.

Le but de cette étude était d'étudier l'application de l'imagerie longitudinale HR-pQCT et des analyses de remodelage et de mécanorégulation associées dans le rayon des sujets humains. Nous avons émis l'hypothèse que ces analyses longitudinales étendues fourniraient une sensibilité accrue à l'évaluation de la microarchitecture osseuse et de la densité minérale (c'est-à-dire la qualité et la quantité) par rapport aux méthodes cliniques traditionnelles. Pour cette analyse, nous avons utilisé des images HR-pQCT longitudinales de patients en trois groupes, ceux ayant une masse osseuse normale et ceux ayant une faible masse osseuse, à qui on a prescrit soit aucun supplément, soit de la vitamine D3 avec/sans suppléments de calcium, pour comprendre si la haute résolution L'imagerie 3D serait utile dans le diagnostic clinique et la gestion à long terme de la santé osseuse. Ces méthodes pourraient fournir les moyens d'évaluer plus précisément les modifications de la microarchitecture osseuse chez les patients à risque d'ostéopénie et d'ostéoporose, en surmontant les limites actuelles des techniques d'évaluation clinique existantes.

Sur les 25 sujets, neuf ne se sont vu prescrire aucune forme de traitement supplémentaire (NoSupp) tandis que 16 se sont vu prescrire des suppléments (c. hydroxyvitamine D [25(OH)D] et hormone parathyroïdienne [PTH]). Sur les 16 sujets à qui on a prescrit une forme de supplément, neuf n'avaient pas de score T du fémur, de la colonne lombaire ou du radius inférieur à − 2,5 (LowSupp) et sept avaient au moins un de ces scores T égal ou inférieur à − 2,5 (OPSupp) (Tableau 1). Après ajustement sur les valeurs de base, ni l'intervalle d'imagerie ni l'âge n'ont eu d'effet statistiquement significatif sur les valeurs post-intervention. Par conséquent, ceux-ci ont été exclus de toute analyse ultérieure.

Les sujets des trois groupes avaient des scores T variés pour le rayon et la colonne lombaire ainsi que des valeurs de densité minérale osseuse corticale (Ct.DMO), mais ne différaient pas dans les autres mesures de la qualité ou de la quantité osseuse (tableau 2). Le groupe, la dominance du bras évalué et le sexe ont été étudiés comme covariables dans l'ANCOVA. Le groupe a eu un impact presque significatif sur l'épaisseur trabéculaire moyenne ajustée après l'intervention (Tb.Th) (Tableau 3). Ici, NoSupp (0,223 ± 0,001) avait une Tb.Th moyenne ajustée significativement plus élevée que LowSupp (0,218 ± 0,002, p = 0,038, réduction de 2,3 %) mais pas OPSupp (0,221 ± 0,002, p = 0,68, réduction de 0,9 %). De même, le sexe a eu un impact significatif sur l'épaisseur corticale moyenne ajustée (Ct.Th) (tableau 3), où les hommes avaient un Ct.Th significativement plus élevé (0,946 ± 0,048) par rapport aux femmes (0,810 ± 0,034, p = 0,025, 15,5 %). réduction). La dominance du bras évalué n'a eu aucun impact significatif sur les valeurs post-intervention pour aucun des paramètres morphométriques statiques.

Les fractions volumiques de formation et de résorption des régions corticales et trabéculaires augmentaient avec le seuil de densité osseuse minéralisée (Fig. 1). Des différences globales ont été observées entre les groupes pour la formation trabéculaire et la formation et la résorption corticales en utilisant un seuil de densité minérale osseuse standardisé de 320 mg/mm3 (tableau 2) ; cependant, lorsque l'on considère tous les résultats, les différences basées sur les seuils n'étaient significatives pour aucune des fractions volumiques.

Les fractions volumiques de formation et de résorption pour chaque seuil de densité minéralisée allant de 200 mg d'Hydroxyapatite (HA)/cm3 à 680 mg HA/cm3 pour l'os trabéculaire et 920 mg HA/cm3 pour l'os cortical avec des intervalles de 120 mg HA/cm3.

Lors de l'évaluation par rapport aux données démographiques et aux valeurs morphométriques moyennes, la fraction volumique de la formation corticale a été prédite par la résorption corticale, la Ct.DMO moyenne et la Ct.Th moyenne (tableau 4). De même, la fraction volumique de résorption corticale a été prédite par la formation corticale, la moyenne de Ct.BMD et la moyenne de Ct.Th. La fraction volumique de la formation trabéculaire a été prédite par la résorption trabéculaire, la fraction volumique osseuse totale moyenne (BV/TV) et la densité minérale osseuse trabéculaire moyenne (Tb.DMO). Inversement, la fraction volumique de résorption trabéculaire a été prédite par la formation trabéculaire et la moyenne de Tb.Th.

Le groupe, la dominance du bras évalué et le sexe ont été étudiés en tant que covariables de la rigidité compressive apparente de l'os entier, de la contrainte corticale efficace et de la contrainte trabéculaire efficace dans l'ANCOVA. Le sexe n'a eu aucun effet statistiquement significatif sur les valeurs post-intervention pour aucun des mécanismes mesurés. Aucune des covariables évaluées n'a eu d'impact sur la raideur apparente post-intervention. Pour la souche efficace corticale et trabéculaire post-intervention, le groupe et la dominance du bras avaient un impact significatif (p < 0,05) ou presque significatif (p < 0,10) sur les valeurs post-intervention.

Dans le cortex, le groupe a eu un impact significatif sur les 10e et 25e centiles et un impact presque significatif sur le 5e centile et la déformation effective ajustée médiane (tableau 5). Par rapport à LowSupp, OPSupp avait une contrainte efficace ajustée corticale significativement plus élevée au 10e centile (LowSupp : 2020 ± 30 µɛ, OPSupp : 2140 ± 40 µɛ, p = 0,026), 25e centile (LowSupp : 3050 ± 30 µɛ, OPSupp : 3210 ± 40 µɛ, p = 0,011) et médiane (LowSupp : 4 750 ± 50 µɛ, OPSupp : 4 940 ± 60 µɛ, p = 0,043) (Figure 2). Aucun contraste significatif ou presque significatif n'a été détecté parmi les groupes pour la souche efficace ajustée corticale du 5e ou du 75e centile. Le bras a eu un impact significatif sur la contrainte efficace ajustée corticale du 25e centile et médiane et un impact presque significatif sur la contrainte efficace ajustée corticale du 10e centile (tableau 5). Les bras ambidextres (A) avaient une contrainte corticale effective ajustée significativement plus élevée que les bras non dominants (ND) au 10e centile (A : 2170 ± 50 µɛ, ND : 2020 ± 30 µɛ, p = 0,046), 25e centile (A : 3210 ± 40 µɛ, ND : 3050 ± 30 µɛ, p = 0,011) et médiane (A : 4940 ± 60 µɛ, ND : 4750 ± 50 µɛ, p = 0,043). Pour la souche efficace ajustée corticale du 25e centile, les bras ambidextres étaient également presque significativement plus élevés que dans les bras dominants (D) (A : 3210 ± 40 µɛ, D : 3090 ± 30 µɛ, p = 0,071).

Propriétés mécaniques post-intervention et moyennes ajustées dans le rayon distal pour NoSupp, LowSupp et OPSupp. La rigidité apparente de l'os entier variait d'un groupe à l'autre, diminuant avec le traitement et aggravant les scores DXA ; la moyenne ajustée post-intervention la plus basse a été détectée dans LowSupp (à gauche). Les distributions de déformation efficaces corticales (au milieu) et trabéculaires (à droite), représentées sous forme de centiles discrets (10e, 25e et 50e), révèlent des différences dans les moyennes ajustées après l'intervention entre LowSupp et OPSupp dans le cortex. (*) indique des contrastes significatifs entre les groupes (p < 0,05).

Dans la région trabéculaire, le groupe a eu un impact significatif sur la souche efficace ajustée aux 5e et 10e centiles (tableau 5, figure 2) ; cependant, aucune différence significative n'a été détectée entre les groupes dans la comparaison par paires. Le bras a eu un impact significatif sur la souche efficace ajustée trabéculaire au 75e centile (tableau 5). Les bras ambidextres (8550 ± 170 µɛ) avaient une tension effective ajustée au 75e centile significativement plus élevée que les bras dominants (7990 ± 100 µɛ, p = 0,025) et non dominants (8030 ± 80 µɛ, p = 0,042) dans la région trabéculaire.

La souche efficace au 99e centile n'était pas significativement différente entre les groupes (NoSupp : 28 000 ± 2 300 µɛ ; LowSupp : 29 200 ± 2800 µɛ ; OPSupp : 26 500 ± 4 200 µɛ). En tant que tel, le 99e centile moyen pour tous les patients (27900 µɛ) a été utilisé pour normaliser les données de contrainte de chaque patient pour l'analyse de la mécanorégulation. Pour tous les groupes, la probabilité conditionnelle (CP) de formation osseuse était plus élevée à des valeurs plus élevées de déformation effective, tandis que la CP de résorption osseuse était supérieure à des valeurs inférieures de déformation effective (Figure 3). Sur la base de ces courbes CP, des seuils divisant les souches associées à de plus grandes probabilités de comportement de résorption et de formation ont été dérivés pour chaque patient et moyennés entre les groupes. NoSupp avait un seuil de résorption moyen inférieur (souche de 9 %) et un seuil de formation moyen plus élevé (souche de 25 %) par rapport à LowSupp et OPSupp (7 % et 22 % pour les deux groupes, respectivement) (Figure 3). Cependant, aucune différence significative dans l'un ou l'autre des seuils n'a été détectée entre les trois groupes. Le taux de classification correcte (CCR), mesurant les événements de remodelage correctement classés en fonction des seuils de résorption et de formation déterminés, était similaire dans tous les groupes (NoSupp = 0,408, LowSupp = 0,403 et OPSupp = 0,406), indiquant un comportement de remodelage global cohérent. Qualitativement, les régions de contrainte efficace plus élevée étaient situées plus distalement dans la région analysée de l'os, alors qu'il n'y avait pas de tendances régionales évidentes pour le remodelage osseux (Figure 4). Cependant, les variations locales de la mécanique mesurée et du remodelage ont identifié que les régions de niveau inférieur de contrainte efficace plus élevée présentaient une qualité et/ou une quantité osseuse accrues sur la durée de l'étude, c'est-à-dire la formation, tandis que les régions de contrainte efficace inférieure présentaient une qualité osseuse réduite et /ou la quantité, c'est-à-dire la résorption (Figure 4).

La probabilité de remodelage conditionnel (CP) des sites de remodelage par rapport à l'environnement mécanique, quantifiée en tant que contrainte effective (Eff) à partir d'une compression simulée de 1 %, pour les groupes NoSupp, LowSupp et OPSupp. Les distributions de souches Eff normalisées ont été utilisées pour calculer le CP pour que les événements de formation (indiqués en orange), de quiescence (indiqués en gris) et de résorption (indiqués en violet) se produisent à des niveaux de souche distincts. Les seuils moyens divisant les souches associées aux probabilités de résorption dominante (Rs) et de formation dominante (F) de chaque groupe sont indiqués par les lignes verticales gauche et droite, respectivement, pour NoSupp, LowSupp et OPSupp (gauche trois parcelles). Les seuils Rs et F spécifiques au groupe et au patient ont confirmé les liens entre la formation osseuse à des signaux mécaniques élevés et la résorption à des signaux mécaniques faibles (à droite).

Reconstruction 3D du remodelage (en haut) et de la souche efficace (Eff) (en bas) pour un participant représentatif soulignant l'importance de la résorption dans les zones de faible souche efficace (à gauche) et la formation dans les zones de souche efficace plus élevée (à droite).

Alors que la disponibilité de la DXA dans l'évaluation de la masse et de la quantité osseuses des patients permet une utilisation généralisée, la précision de la mesure est insuffisante pour une utilisation dans l'évaluation à long terme des patients. Cette étude a démontré la capacité de l'analyse longitudinale étendue HR-pQCT à identifier les différences de groupe dans les fractions volumiques de formation et de résorption osseuses basées sur le seuil (Figure 1) et les stratégies mécanorégulatrices (Figure 3). Ces observations plus subtiles sur la qualité et la quantité d'os seraient difficiles à identifier à l'aide d'analyses cliniques standard (c'est-à-dire DXA, morphométrie statique, etc.).

Généralement, les T-Scores étaient les plus faibles pour le radius et les plus élevés pour le fémur. De plus, les scores T du radius et de la colonne lombaire différaient entre les trois groupes, les scores T diminuant de NoSupp à OPSupp pour les deux régions, comme prévu sur la base des définitions de groupe. Bien que le fémur soit souvent la cible principale du score de quantité osseuse basé sur la DXA, comme en témoigne la formulation du calcul FRAX du risque de fracture32, c'est le seul site qui n'a montré aucune différence significative entre les groupes dans l'étude actuelle. En ce qui concerne la morphométrie statique, des différences ont été observées entre les groupes pour la Ct.BMD moyenne, où LowSupp avait la valeur la plus élevée de Ct.BMD et OPSupp la plus faible (tableau 2). Étant donné que NoSupp avait des T-Scores de rayon plus élevés, mais une Ct.BMD inférieure à LowSupp, cela suggère qu'il peut y avoir une augmentation compensatoire de Ct.BMD se produisant avec des réductions initiales de la DMO surfacique au rayon. Les changements de Tb.Th observés pendant la durée de l'étude ont été affectés par groupe (tableau 3). Fait intéressant, les valeurs de base de Tb.Th étaient identiques pour LowSupp et OPSupp ; cependant, seul LowSupp a montré des valeurs moyennes ajustées significativement inférieures de NoSupp après l'intervention. En revanche, les changements de Ct.Th observés sur la durée de l'étude ont été affectés par le sexe. Sur la base de l'ampleur du changement dans la morphométrie de l'os cortical, le sexe semble avoir un impact plus important sur les valeurs post-intervention que le groupe. Des études antérieures transversales HR-pQCT ont révélé des différences basées sur le sexe dans la morphométrie de l'os cortical dans les cohortes de patients normatifs et pathologiques, les hommes ayant un Ct.Th systématiquement plus élevé que les femmes24,25,33. En comparant les patients avec une masse osseuse normale et ceux avec une faible masse osseuse et une ostéoporose, des différences significatives de Ct.Th au radius ont été détectées dans les cohortes de patientes (Normal > Faible et OP)34, mais pas dans les cohortes de patients masculins (Normal = Faible et OP)35. Cela indiquerait que le sexe est hautement pertinent pour l'évaluation morphométrique des patients pour l'ostéopénie et l'ostéoporose en utilisant les méthodes décrites ici.

Des différences entre les trois groupes ont été observées pour la formation et la résorption corticales et la formation trabéculaire. Ct.BMD et Ct.Th étaient tous deux des prédicteurs de la formation et de la résorption corticales. LowSupp avait la Ct.BMD la plus élevée des trois groupes et montrait une tendance à la diminution de la résorption et de la formation dans la région corticale, tandis que OPSupp avait la Ct.BMD la plus faible et montrait une tendance à une augmentation de la formation dans les régions trabéculaire et corticale. Bien qu'aucune différence de Tb.DMO n'ait été observée, la formation et la résorption trabéculaires étaient prédites par Tb.BMD et BV/TV, tandis que la résorption trabéculaire était également prédite par Tb.Th et l'intervalle d'imagerie (tableau 4). En comparaison avec les deux autres groupes, OPSupp a montré une tendance à l'augmentation de la formation trabéculaire avec une densité croissante, tandis que LowSupp a montré une tendance à une résorption trabéculaire plus élevée. Combinés, ces résultats indiquent que la qualité et la quantité déterminent les fractions volumiques de formation et de résorption, mais les spécificités de cet effet sont difficiles à quantifier dans cette petite cohorte hétérogène. Les études antérieures évaluant le remodelage osseux n'ont pas évalué les résultats en ce qui concerne la morphométrie et la densitométrie29,30,36, mais ont plutôt trouvé une relation entre le remodelage et l'âge37. Cependant, étant donné que la qualité et la quantité d'os diminuent souvent avec l'âge, ces observations antérieures peuvent indirectement étayer nos conclusions.

Les valeurs moyennes de rigidité diminuaient avec l'aggravation des scores T, conformément aux études précédentes liant la perte osseuse à une baisse de la compétence mécanique osseuse10,34,35,38,39 ; cependant, aucune différence significative n'a été détectée entre les groupes après prise en compte de la rigidité de base. De plus, aucune des covariables étudiées n'a eu d'influence significative sur la rigidité post-intervention. Ici, l'intervalle entre la ligne de base et le suivi peut avoir été trop court pour détecter des différences dans la mécanique au niveau des organes. Une revue évaluant l'application clinique du HR-pQCT dans des populations de patients adultes a révélé que moins de la moitié des études évaluant la résistance osseuse (c'est-à-dire la rigidité et la charge de rupture) ont rapporté des différences significatives entre le traitement médicamenteux anti-ostéoporotique et les groupes placebo, la majorité des essais portant sur plus de 12 mois26. Parmi les études qui avaient un intervalle de suivi de 12 mois, une seule a rapporté des changements significatifs en réponse au traitement40. Combiné avec les résultats des travaux en cours, cela indique la nécessité d'établir des lignes directrices pour les intervalles de suivi minimaux dans les études longitudinales HR-pQCT.

Peu d'études ont exploré les changements dans la distribution des souches in vivo dans l'analyse longitudinale de l'os humain, se concentrant souvent sur les valeurs médianes ou moyennes régionales21,30,41. Bien qu'ils ne soient pas directement comparables, les schémas de distribution des contraintes dans les régions corticales et trabéculaires de cette étude sont cohérents avec Johnson et Troy42. La majeure partie des souches trabéculaires étaient inférieures à celles de la région corticale ; cependant, les déformations maximales ont été mesurées dans la région trabéculaire, probablement en raison de fines trabécules individuelles. L'utilisation d'une condition aux limites de compression à frottement élevé peut également avoir simplifié à l'excès le véritable environnement de chargement in vivo, contribuant à des différences dans le schéma de distribution des contraintes sur ou près des bords du modèle. Malgré cela, des schémas cohérents de transfert de charge du compartiment trabéculaire à la coque corticale ont été observés dans tous les modèles. De plus, la condition aux limites de compression à frottement élevé est la plus utilisée dans l'évaluation des modèles FE basés sur HR-pQCT, permettant une plus grande comparabilité croisée avec les études existantes et futures. Au niveau tissulaire, des différences de groupe ont été détectées dans les propriétés mécaniques corticales et trabéculaires. Dans la région corticale, la distribution ajustée des contraintes (10e, 25e et 50e centiles) était plus faible pour LowSupp par rapport à OPSupp après l'intervention. Dans la région trabéculaire, des différences de groupe ont été détectées dans les valeurs de déformation ajustées les plus basses (5e et 10e centiles) ; cependant, aucune différence significative n'a été détectée entre les groupes dans l'analyse post hoc. Bien que les différences détectées soient faibles (3 à 5 %), cela pourrait refléter de petits changements dans la minéralisation au niveau du voxel qui n'ont pas été détectés dans l'analyse morphologique. Étant donné que les propriétés du matériau étaient directement dérivées de l'intensité du voxel, de minuscules augmentations locales de la densité pourraient entraîner un raidissement du matériau osseux dans le modèle. Étant donné que les conditions aux limites étaient constantes, les changements de rigidité du matériau entraîneraient une baisse de la déformation mesurée.

Des études d'imagerie antérieures ont trouvé des propriétés macrostructurales et mécaniques significativement plus élevées dans le rayon dominant par rapport au rayon non dominant43,44. Plus précisément, la surface osseuse et le BMC des études basées sur le pQCT (voxels de 330 µm) et la surface corticale et la charge de défaillance des études basées sur le HR-pQCT (voxels de 82 µm) étaient plus élevés dans les rayons dominants. Plus récemment, des études utilisant le HR-pQCT de deuxième génération (voxels de 60,7 µm) pour étudier la dominance du bras ont également signalé une augmentation significative de la macro et de la microstructure et des propriétés mécaniques du bras dominant45,46. Une seule étude a rapporté une dominance de bras ambidextre ou équivalente, mais un seul participant identifié comme tel46. Dans la présente étude, la dominance des bras n'a eu aucun impact sur la densité post-intervention ou sur les paramètres morphologiques. En ce qui concerne la mécanique post-intervention, il a été constaté que les bras ambidextres avaient des contraintes ajustées significativement plus élevées que les bras non dominants (corticales : 10e, 25e et 50e centiles ; trabéculaire : 75e centile) et les bras dominants (corticales : 25e centile ; trabéculaire : souche du 75e centile). Aucune différence dans la réponse post-intervention n'a été détectée entre les bras dominants et non dominants. Étant donné que les participants à l'étude actuelle ont subi une fracture du bras non étudié, les différences observées peuvent être dues à des changements dans le schéma de charge quotidien ou à l'utilisation du bras controlatéral. Les participants avec des fractures du bras dominant (bras controlatéraux non dominants) ont probablement ressenti le plus grand effet global sur l'activité et la capacité, car ils n'étaient peut-être pas compétents dans l'utilisation de leur bras controlatéral, tandis que les participants avec des fractures du bras non dominant (bras controlatéraux dominants) ou qui étaient ambidextres ont eu peu d'effet sur leur activité de la vie quotidienne. Par conséquent, les patients avec une dominance de bras ambidextre peuvent avoir connu la plus grande augmentation de l'activité du bras controlatéral, en raison de leur compétence existante et de l'augmentation de l'utilisation quotidienne. Cette augmentation du stimulus peut expliquer nos résultats ; cependant, comme seuls trois participants ont identifié comme ayant une dominance de bras ambidextre, cet effet observé nécessite une enquête plus approfondie pour confirmation.

Conformément aux études précédentes qui ont révélé que des niveaux d'activité physiologique normaux entraînent des relations significatives entre la formation osseuse et le stimulus mécanique dérivé de la FE30,31, l'analyse de la mécanorégulation a révélé de fortes relations entre la mécanique locale et le remodelage dans tous les groupes. Des tendances ont été observées dans l'ampleur de la différence entre les valeurs des seuils de résorption et de formation (c'est-à-dire la largeur de la zone paresseuse30) et la position relative de cette zone, parmi les groupes et les individus. Qualitativement, NoSupp avait la zone paresseuse la plus large, tandis que LowSupp et OPSupp avaient des zones paresseuses plus étroites avec des seuils décalés vers des valeurs de déformation efficaces inférieures (Figure 3). L'observation de cette tendance suggère que les patients de LowSupp et OPSupp étaient plus réactifs aux stimuli (ou à leur absence), nécessitant moins de signal mécanique pour déclencher le remodelage osseux que ceux de NoSupp, mais nécessite une cohorte plus grande et potentiellement plus homogène pour confirmer cette découverte . Bien que l'âge n'ait pas été un facteur significatif, les deux plus jeunes participants à l'étude actuelle appartenaient au groupe NoSupp et avaient tous deux des seuils de formation et de résorption plus élevés ainsi qu'une zone paresseuse plus large que les autres participants. Les études futures devraient explorer les capacités de l'analyse de mécanorégulation basée sur HR-pQCT pour traiter les différences dans le niveau d'activité et l'âge des participants.

Cette étude a des limites. Premièrement, les cohortes de participants évaluées étaient peu nombreuses et ont été regroupées sur la base d'une combinaison de mesures de densité osseuse de DXA et de prescription de suppléments basés sur des biomarqueurs sanguins, ainsi les groupes ne permettent pas une traduction directe à l'effet de la qualité osseuse initiale et quantité ou suppléments, car ces facteurs n'ont pas été analysés indépendamment. De plus, en raison de la disponibilité limitée des antécédents des patients, le degré auquel les patients ont adhéré à leurs suppléments prescrits est inconnu. De plus, des facteurs cliniques potentiellement pertinents (historique des chutes, niveau d'activité, etc.) n'ont pas pu être inclus dans cette évaluation. Cependant, même avec une cohorte relativement petite de patients, cette étude a observé une variabilité du remodelage et de la mécanorégulation entre les groupes, ce qui indique que la sensibilité du HR-pQCT devrait être étudiée plus avant dans l'évaluation clinique des patients. Deuxièmement, le remodelage et la mécanorégulation du bras controlatéral peuvent ne pas être indépendants du processus de guérison du bras fracturé. En tant que tels, les résultats peuvent avoir été influencés par la gravité de la fracture et le changement de la dépendance au bras controlatéral pendant la guérison, car cela varierait selon que le bras fracturé était dominant ou non. Pour résoudre ce problème, la dominance du bras évalué a été incluse en tant que facteur dans notre analyse afin de séparer ce facteur des résultats observés et s'est avérée affecter la contrainte corticale efficace faible à médiane.

Le HR-pQCT longitudinal a pu détecter des différences entre nos trois cohortes dans les fractions volumiques de formation et de résorption basées sur le seuil et les facteurs à l'origine de la mécanorégulation sur des périodes de 9 à 12 mois. Bien que la taille de l'échantillon de notre étude limite notre capacité à identifier les résultats basés sur la population, nos résultats indiquent que les analyses HR-pQCT étendues sont capables de détecter des différences subtiles dans les stratégies de remodelage et de mécanorégulation qui peuvent être indicatives de la qualité et de la quantité osseuses. Ainsi, lorsque la technologie d'imagerie est disponible, les cliniciens doivent envisager de compléter les protocoles actuels d'évaluation des patients par une imagerie et une analyse microstructurales accélérées. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour mettre en évidence les avantages cliniques spécifiques, mais l'utilisation de la HR-pQCT longitudinale et étendue semble prometteuse pour améliorer les futures stratégies de diagnostic et de traitement afin de piloter un plan de soins spécifique au patient pour la santé osseuse.

Un sous-ensemble de 25 sujets qui ont été recrutés et ont donné leur consentement éclairé pour leur participation à une étude d'imagerie time-lapse HR-pQCT ont été analysés ici (tableau 1). Tous les protocoles expérimentaux ont été approuvés par le comité d'éthique de l'Université de médecine d'Innsbruck (ONU 0374344/4.31) et réalisés conformément à la Déclaration d'Helsinki. Des échantillons de sang (35 ml) ont été analysés pour évaluer le calcium, la 25-hydroxyvitamine D [25(OH)D] et l'hormone parathyroïdienne (PTH) dans le laboratoire universitaire de médecine d'Innsbruck, où les valeurs étaient considérées comme normales dans les plages de 2,20 à 2,55. mmol/l pour le calcium, 75–150 nmol/l pour la 25(OH)D et 15–65ng/l pour la PTH et la décision de prescription de suppléments était prise par le médecin traitant. Pour les patients présentant de faibles valeurs des marqueurs osseux généraux, des suppléments de vitamine D3 (5 sujets) ou une combinaison de vitamine D3 et de calcium (11 sujets) ont été recommandés et l'observance du patient a été vérifiée. Isolément, la dose prescrite de vitamine D3 était d'environ 8 000 UI par jour (Oleovit D3, 10 à 20 gouttes/jour) pendant deux semaines, suivie d'environ 1 000 UI par jour (Oleovit D3, 15 à 25 gouttes/semaine) pendant le reste de la journée. l'étude. La dose prescrite pour la supplémentation combinée consistait en 400 à ~ 1000 UI de vitamine D3 et 500 à 600 mg de calcium par jour (Maxi-Kalz, 500 mg de calcium et Oleovit, ~ 1000 UI de vitamine D3; Calciduran, 500 mg de calcium et 800 UI de vitamine D3 ; ou Cal-D-Vita, 600 mg de calcium et 400 UI de vitamine D3). Tous les sujets étaient âgés de plus de 18 ans, avaient une fracture unilatérale du radius distal et avaient donné leur consentement éclairé avant leur participation. Pour éliminer l'effet convolutif de la cicatrisation des fractures sur le remodelage osseux et la mécanorégulation, seules les images du radius non fracturé controlatéral ont été analysées.

Les données ont été obtenues dans le cadre d'une étude indépendante portant sur la cicatrisation des fractures. Images HR-pQCT (XtremeCT II, ​​Scanco Medical AG, Brütisellen, Suisse) (168 coupes, longueur de balayage de 10,2 mm, voxels isotropes de 60,7 μm, 63 kV, 1500 µA, temps d'intégration de 46 ms, 2304 échantillons, 900 projections) du controlatéral radius ont été acquis à six moments au cours de la première année post-fracture (environ 1, 3, 5, 13, 26 et 52 semaines post-fracture). L'évaluation clinique standard a été réalisée à l'Université de médecine d'Innsbruck, qui a fourni les deux indices densitométriques, y compris la densité minérale osseuse (DMO) volumétrique pour l'ensemble de l'os (Tt.DMO), les régions trabéculaires (Tb.DMO) et corticales (Ct.DMO), et les indices morphométriques, y compris la fraction de volume osseux (BV/TV), le nombre trabéculaire (Tb.N), la séparation trabéculaire (Tb.Sp), l'épaisseur moyenne des régions trabéculaire (Tb.Th) et corticale (Ct.Th), et porosité corticale (Ct.Po) de chaque participant à l'étude. Des images d'absorptiométrie à rayons X à double énergie (DXA) ont été acquises trois semaines après la fracture pour le fémur, la colonne lombaire et le radius et ont été utilisées pour quantifier le score T de chaque sujet. Seuls les participants avec au moins deux images de haute qualité du rayon controlatéral (score de classement visuel, VGS47, de 1 ou 2) prises à 9-12 mois d'intervalle ont été pris en compte pour l'inclusion dans cette étude.

Les deux images qui avaient la meilleure qualité d'image (VGS inférieur)47 et le plus grand volume de chevauchement ont été utilisées pour évaluer la formation osseuse, la résorption et la quiescence. Comme décrit précédemment29, la première des deux images a été transformée à l'aide d'une interpolation cubique pour être alignée avec le système de coordonnées d'imagerie à l'aide de la bibliothèque de fonctions SciPy en Python48,49. La dernière des deux images a ensuite été enregistrée de manière rigide et transformée pour s'aligner sur l'image précédente en utilisant une approche pyramidale optimisée par rapport à l'erreur quadratique moyenne entre les deux images50. Les masques du rayon dans chaque image ont été générés à l'aide d'un contour actif géodésique51 et utilisés pour générer des masques corticaux et trabéculaires à l'aide du logiciel du fabricant du scanner.

Les images ont été débruitées avec un filtre gaussien contraint (sigma = 1,2, tronqué = 0,8, support = 1,0) en Python et des seuils allant de 200 à 920 mg d'hydroxyapatite (HA)/cm3 ont été appliqués avec des intervalles de 120 mg HA/cm3. Notez que les seuils supérieurs à 680 mg HA/cm3 ont été ignorés dans l'os trabéculaire sur la base de la densité minéralisée inférieure de l'os trabéculaire et du volume osseux trabéculaire minimal mesuré à des densités plus élevées. Un seuil de 320 mg HA/cm3 a été défini comme un seuil standardisé pour l'analyse, basé sur l'utilisation comme seuil trabéculaire dans des études antérieures52. Les deux images ont ensuite été comparées pour déterminer les voxels qui s'étaient formés, résorbés ou étaient au repos à chaque seuil de densité minéralisée53. Les fractions volumiques de formation et de résorption ont été calculées par rapport au volume osseux à chaque seuil de l'image précédente.

Les données HR-pQCT enregistrées qui se chevauchent ont été utilisées pour générer deux modèles micro-FE pour chaque patient via une conversion directe des voxels d'image en éléments hexaédriques (Python 3.7). Les propriétés des matériaux élastiques linéaires à l'échelle, calculées directement à partir des données de densité filtrées gaussiennes (sigma = 1,2, tronqué = 0,8, support = 1,0) à l'aide de SciPy48, et un coefficient de Poisson de 0,3 ont été attribués à tous les éléments. Des tests de compression à friction élevée avec un déplacement prescrit de 1 % de la hauteur totale dans la direction axiale ont été effectués sur tous les modèles en utilisant 180 processeurs d'un CRAY XC40 (Swiss National Supercomputing Center (CSCS)). Les résultats des modèles ont été utilisés pour calculer la rigidité compressive apparente des rayons controlatéraux au fil du temps et pour évaluer les changements longitudinaux dans la distribution de la contrainte effective (εEff) dans l'os cortical et trabéculaire. La déformation effective, une mesure de déformation scalaire, a été calculée à partir de la densité d'énergie de déformation (SED) et du module de Young du tissu osseux (E), calculé directement à partir de la densité de chaque voxel dans la région de l'os à l'aide de l'équation (1) 53,54. Les données de déformation plein champ dans chaque compartiment osseux ont été échantillonnées aux 5e, 10e, 25e, 50e et 75e centiles pour permettre des comparaisons quantitatives entre les groupes NoSupp, LowSupp et OPSupp au cours de l'étude. Des centiles de déformation faibles, médians et relativement élevés ont été échantillonnés pour mieux caractériser la forme des distributions de déformation au lieu de ne rapporter que la médiane ou la moyenne εEff.

Les résultats des analyses FE ont été spatialement corrélés avec la formation, la résorption et les volumes osseux au repos pour évaluer la mécanorégulation locale. Ici, des courbes de probabilité conditionnelle (CP) ont été générées pour les événements de remodelage identifiés sur la surface osseuse55,56, reliant l'environnement mécanique local (εEff) aux événements observés de formation, de résorption ou de quiescence. La distribution de déformation efficace pour chaque analyse FE a été normalisée en utilisant le 99e centile moyen de l'ensemble de la cohorte et regroupée à des pas de 1 % pour chaque événement de remodelage. Une normalisation par groupe et par bac a été utilisée pour calculer les courbes CP pour chaque groupe de sujets conformément à Schulte et al., 201355. Un taux de classification correcte (CCR), mesurant la fraction d'événements de remodelage correctement identifiés à l'aide des courbes CP53, a été calculée pour résumer la mécanorégulation au sein de chaque groupe. De plus, les seuils de déformation de formation (Tf) et de résorption (Tr) ont été dérivés des courbes CP pour chaque sujet au point pour lequel la formation ou la résorption est devenue dominante, respectivement.

La bibliothèque de fonctions Python SciPy a été utilisée pour rapporter et évaluer les différences dans les fractions de volume osseux de formation et de résorption et la mécanique48. La moyenne et la différence des mesures de densitométrie et de morphométrie ont été utilisées pour l'analyse de chaque groupe. La normalité des données a été évaluée à l'aide du test de normalité de Shapiro-Wilk. Les différences entre les groupes ont été étudiées à l'aide de l'analyse de variance unidirectionnelle de Kruskal-Wallis (ANOVA) sur les rangs lorsque les données n'étaient pas distribuées normalement.

Pour déterminer l'effet du traitement sur la morphométrie et la mécanique de chaque groupe, une analyse de covariance (ANCOVA) a été réalisée en R (R version 4.0.4). Ici, les mesures de base, le groupe, l'intervalle d'imagerie, l'âge, le sexe et la dominance du bras évalué ont été inclus comme covariables pour prédire les mesures post-intervention57,58. L'intervalle d'imagerie et l'âge ont été traités comme des variables continues, tandis que le groupe (3 niveaux : [0] NoSupp, [1] LowSupp, [2] OPSupp), le sexe (2 niveaux : [0] femme, [1] homme) et le bras (3 niveaux : [0] ambidextre, [1] dominant, [2] non dominant) étaient des variables catégorielles. Des comparaisons par paires ont été effectuées pour toutes les covariables qui avaient un effet significatif (p < 0,05) et quasi significatif (p < 0,1) sur les valeurs post-intervention. La méthode HSD de Tukey a été appliquée pour tenir compte des comparaisons multiples et les valeurs résultantes sont représentées sous forme de moyennes ajustées ± erreur standard. Une analyse post-hoc a été réalisée à l'aide du test de Dunn avec correction de Bonferroni ou de Tukey-Kramer lorsqu'une erreur familiale était présente.

Pour étudier les paramètres qui ont eu le plus grand effet sur les fractions volumiques de formation et de résorption, une régression des moindres carrés partiels (PLS) a été effectuée sur chaque fraction volumique, y compris les variables démographiques, les données de groupe, de densitométrie et de morphométrie, les scores T mesurés par DXA et la densité. seuil à l'aide de la bibliothèque de fonctions Python Scikit-Learn59. Toutes les variables ont été mises à l'échelle et centrées avant l'analyse. La validation croisée Leave-One-Out a été utilisée pour calculer la puissance prédictive du modèle et le nombre de composants du modèle a été limité à un. Les variables ont été triées par influence variable sur la projection (VIP) et le modèle a été exécuté de manière itérative en incluant des variables supplémentaires jusqu'à ce que le score Q2, qui est une mesure de prévisibilité équivalente à une valeur R2, ne s'améliore plus. L'erreur quadratique moyenne de la prédiction (RMSEP) a été incluse comme mesure supplémentaire de la régression. En raison de notre désir d'explorer les capacités du HR-pQCT longitudinal amélioré, nous n'avons pas limité le nombre de variables choisies dans l'analyse en fonction de la taille limitée de nos trois groupes.

Les ensembles de données analysés dans le cadre de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs remercient le Fonds national suisse de la recherche scientifique (320030L_170205), le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne dans le cadre de la bourse Marie Skłodowska -Curie (accord 841316) et la bourse postdoctorale de l'ETH pour son soutien financier. Ce travail a été soutenu par une subvention du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS) dans le cadre des projets ID s841 et s1070.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Caitlyn J. Collins et Penny R. Atkins.

Institut de biomécanique, ETH Zurich, Zurich, Suisse

Caitlyn J. Collins, Penny R. Atkins, Nicholas Ohs et Ralph Müller

Département de génie biomédical et de mécanique, Virginia Tech, Blacksburg, VA, États-Unis

Caitlyn J. Collins

Département d'ostéoporose, Hôpital universitaire de Berne, Université de Berne, Berne, Suisse

Penny R. Atkins et Kurt Lippuner

Institut de calcul scientifique et d'imagerie, Université de l'Utah, Salt Lake City, UT, États-Unis

Penny R.Atkins

Département d'orthopédie et de chirurgie traumatologique, Université médicale d'Innsbruck, Innsbruck, Autriche

Michel Blauth

Département médical clinique DePuy Synthes, Zuchwil, Suisse

Michel Blauth

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CJC et PRA ont contribué à parts égales à l'étude. CJC et PRA ont conçu l'étude, développé la méthodologie, organisé les données, effectué l'analyse, généré des visualisations et rédigé le manuscrit ; CJC, PRA et NO ont développé le logiciel ; MB, KL et RM ont conçu et supervisé l'étude. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Ralph Müller.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Collins, CJ, Atkins, PR, Ohs, N. et al. Observation clinique de la diminution de la qualité et de la quantité d'os par le remodelage et la mécanorégulation longitudinale dérivée du HR-pQCT. Sci Rep 12, 17960 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22678-z

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Reçu : 11 mai 2022

Accepté : 18 octobre 2022

Publié: 26 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22678-z

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