Histomorphometric assessment of double-zonal osteons in human cortical bone

Le processus de remodelage osseux produit quatre différents types d’ostéons : type I (les plus communs), type II, « à la dérive » et les ostéons zonaux (DZ). Ces derniers, caractérisés par un anneau hyper minéralisé à l'intérieur des lamelles de l'ostéon, n'ont pas été étudiés de manière extensive dans la littérature anthropologique. Alors qu'ils sont identifiés depuis les années 70, les ostéons DZ ont donné lieu à plus d'hypothèses que de réponses sur les causes possibles de leur formation, probablement dû à leurs mauvaises identifications et au manque d’un protocole d’identification fiable et reproductible. Plus précisément, certains ont proposé que ces ostéons pourraient être le résultat d'un stress physiologique systémique, mais d'autres ont soutenu qu'ils seraient le produit naturel résultant du vieillissement.  Dans ce contexte, le but de ce projet est d'étudier les causes possibles de la formation des ostéons DZ et il a été réalisé en trois parties : 1) l’élaboration d’un protocole d’identification en microscopie à lumière polarisé, testé en comparaison à une méthode de référence; 2) l’évaluation des influences métaboliques liées au sexe, à l’âge ainsi qu’aux pathologies, basés sur une comparaison entre les individus diagnostiqués avec des maladies métaboliques et ceux sans évidence de condition pathologique et 3) l’évaluation des charges mécaniques sur la formation des ostéons zonaux. L'échantillon utilisé dans cette étude est constitué de colons Eurocanadiens du cimetière historique St. Matthew, à Québec (1771-1860).  Les résultats présentés montrent que 1) l'utilisation de la microscopie optique polarisée pour identifier les ostéons DZ est une alternative fiable et précise aux technologies plus coûteuses. De plus, de nouvelles connaissances concernant la formation des ostéons DZ ont été apportées en révélant une altération ou un changement brusque de l'orientation des fibres de collagène au même endroit que l'anneau hyper minéralisé. 2) Aucune différence n’a été observée entre les sexes, les groupes d’âge et les pathologies, suggérant que les ostéons DZ ne sont pas associés à des changements métaboliques. 3) D’après la caractérisation des ostéons DZ par un changement/altération dans l’orientation des fibres de collagène, l’hypothèse selon laquelle des charges biomécaniques plus importantes résulteraient dans la formation des ostéons DZ a pour la première fois été étudié sur des fémurs et humérus appariés. Les résultats ne permettent pas de supporter sans équivoque cette hypothèse : alors que le fémur a une plus grande densité de DZ que l’humérus, les variations de charges mécaniques interindividuelles sont négativement corrélées avec la fréquence d’ostéons DZ. Par ailleurs, les ostéons DZ sont significativement plus petits que les ostéons de type I, suggérant que la taille de la baie de résorption soit un facteur déterminant de la formation d’ostéons DZ. Ainsi, l’ensemble des résultats présentés dans cette dissertation suggère que les ostéons DZ ne sont pas une réponse à des instabilités métaboliques ou mécaniques. Plutôt, ils se forment comme les ostéons de type I, mais dans un contexte de baie de résorption à taille réduite, ce qui implique un nombre moindre de cellules responsables de la formation osseuse. Avec ce nombre réduit de cellules formatives, il y a une augmentation des risques d’altération de la synthèse de la matrice de collagène conduisant à une hyper minéralisation subséquente. En conséquence, leur formation serait le résultat de l’activité ostéoclastique et les recherches futures devraient focaliser sur cet aspect. The process of bone remodeling produces four different types of osteons: type I (the most common), type II, drifting and zonal osteons (DZ). The latter, characterized by a hyper-mineralized ring within osteon lamellae, have not been studied extensively in the anthropological literature. While they have been recognized since the 1970s, DZ osteons have given rise to more hypotheses than answers about the possible causes of their formation, probably because of misidentifications and a lack of reproducible protocols. Specifically, it has been proposed that these osteons may be the result of systemic physiological stress, but others have argued that they would be a natural product of aging.  In this context, the purpose of this project is to investigate the possible causes of the formation of DZ osteons and consists of three parts: 1) the development of a protocol in polarized light microscopy that is tested against a gold standard method; 2) the evaluation of metabolic influences linked to sex, age and pathologies, the latter being based on a comparison between individuals diagnosed with metabolic diseases and those without evidence of pathological condition on the formation of DZ osteons and 3) the evaluation of mechanical loads on the formation of DZ osteons. The sample used in this study consists of Eurocanadian settlers from St. Matthew Historical Cemetery, Quebec City (1771-1860).  The results presented show that 1) the use of polarized light microscopy to identify DZ osteons is a reliable and accurate alternative to more expensive technologies. In addition, new insights regarding the formation of DZ osteons has been provided by revealing an abrupt alteration or change in the orientation of collagen fibers at the same location as the hyper-mineralized ring. 2) No difference was observed between the different groups, either by pathological status, age or sex, suggesting that DZ osteons are not associated with metabolic changes. 3) According to the characterization of DZ osteons by a change/alteration in the orientation of collagen fibers, the hypothesis according to which higher biomechanical loads would induce the formation of DZ osteons was explored on paired femurs and humerus. The results do not allow to unequivocally support this hypothesis: whereas the femur has a greater density of DZ than the humerus, the interindividual mechanical loading variation was negatively correlated with DZ osteon frequency. Additionally, DZ osteons were found to be significantly smaller than type I osteons, suggesting that the size of the resorptive bay is a determining factor in DZ formation. Thus, the overall results presented in this dissertation suggest that DZ osteons are not the result of metabolic or mechanic instabilities. Instead, they are formed like type I osteons, but in the context of a smaller resorptive bay. Their smaller size implies fewer cells responsible for bone formation, which could increase the risk of impairment in the matrix collagen synthesis, leading to the subsequent hyper-mineralization. Consequently, their formation would be the result of osteoclastic activity and future research should focus on that aspect.

Keyphrases: Ostéons double-zonaux, Histomorphométrie, Remodelage, Biomécanique, Géométrie de section en coupe, Paléopathologie, Microscopie en lumière Polarisée, Ostéons de type I, Microscopie électronique à balayage, Double-zonal osteons., Histomorphometry, Bone remodeling, Biomechanics, Cross-sectional geometry, Paleopathology, Polarized-light Microscopy, Type I osteons, Scanning electron microscopy