Neovascularization and Perivascular Progenitor Cell Dynamics During Early Peri-Implant Endosseous Healing and The Effect of Implant Surface Topography

Metallic endosseous (in-bone) implants are standard devices in dentistry and orthopedic surgery yet optimizing the bone-implant interface remains a challenge. Following the placement of an endosseous implant, cascades of cellular and molecular events, including the inflammatory response, angiogenesis and progenitor cell migration, occur that result in the integration of the implant in bone. While important biological events happen before the bone forms, currently there is little understanding of the cellular dynamics and mechanisms at the earliest stages of peri-implant healing, particularly with respect to angiogenesis. Angiogenesis is considered an essential prerequisite to osteogenesis. Capillaries carry oxygen and nutrients to the wound site and serve as a route for inflammatory and stromal progenitor cells to the site of injury. By developing a new intravital model the work presented here has been able to longitudinally track angiogenesis in the peri-implant compartment for the first time in real-time. Spatiotemporal monitoring of the tissue healing phases following implantation revealed that, contrary to conventional wisdom, mesenchymal progenitor (MP) cells massively populate the wound site upon implantation and are not directly associated with blood vessels. However, the two phenomena of angiogenesis and MP cell influx are correlated. Given the potential for significant clinical impact of surface-modified implants in wound healing, the effect of implants of differing surface topography on angiogenesis was also investigated in this thesis transpires that modifying the surface of a metallic implant has a profound effect on the pattern of peri-implant angiogenesis. The improvement of the blood supply and induced directional migration of MPs and vascular endothelial cells to the bone-implant interface led to a higher degree of contact osteogenesis. The results indicate that measurement of angiogenesis can be exploited to biologically assess the clinical efficacy of implants at early healing stages. The work of this thesis presents the following: 1) the development and experimental validation of a cranial implant window chamber (CIWC) platform to study peri-implant healing intravitally over clinically-relevant time scales. 2) Investigation of the effect of implant surface topography on the spatiotemporal pattern of neovascularization, the recruitment of a tissue-resident population of mesenchymal progenitor cells, and ultimately spatiotemporal pattern of bone formation in vivo. 3) Investigation of possible biophysical mechanism(s) under which nanosurfaces may make significant changes in angiogenesis and perivascular progenitor cell influx in vitro. Les implants endo-osseux métalliques sont des dispositifs standard en dentisterie et chirurgie orthopédique, mais optimiser l'interface entre l'os et les implants reste un défi. Suite à la mise en place d'un implant endo-osseux, il se produit des cascades d'événements cellulaires et moléculaires, notamment la réponse inflammatoire, l'angiogenèse et la migration des cellules progénitrices, qui aboutissent à l'intégration de l'implant dans l'os. Bien que d'importants événements biologiques se produisent avant la formation des os, il existe actuellement une compréhension limitée de la dynamique et des mécanismes cellulaires aux premiers stades de la guérison du péri-implant, en particulier en ce qui concerne l'angiogenèse. L'angiogenèse est considérée comme une condition préalable essentielle à l'ostéogenèse. Les capillaires transportent l'oxygène et les nutriments vers le site de la plaie et servent de voie de transmission aux cellules progénitrices inflammatoires et stromales vers le site de la lésion. En développant un nouveau modèle in vivo, j'ai pu suivre l'angiogenèse dans le compartiment péri-implantaire dans le sens longitudinal pour la première fois en temps réel. La surveillance spatio-temporelle des phases de cicatrisation des tissus après implantation a révélé que, contrairement à la sagesse populaire, les cellules progénitrices mésenchymateuses (MP) qui peuplent massivement le site de la plaie après implantation ne sont pas directement associées aux vaisseaux sanguins. Cependant, les deux phénomènes d'angiogenèse et d'afflux de cellules MP sont corrélés. Etant donné l’impact clinique potentiel significatif des implants à surface modifiée dans la cicatrisation des plaies, j'ai également étudié l'effet des implants de topographie de surface différente sur l'angiogenèse. Il s'avère que la modification de la surface d'un implant métallique a un effet profond sur le schéma d'angiogenèse péri-implantaire. L'amélioration de l'apport sanguin et la migration directionnelle induite des MP et des cellules endothéliales vasculaires vers l'interface os-implant conduisent à un degré plus élevé d'ostéogenèse de contact. Les résultats indiquent que la mesure de l'angiogenèse peut être exploitée pour évaluer biologiquement l'efficacité clinique des implants aux stades précoces de la guérison. Les travaux de cette thèse présentent les éléments suivants : 1) développement et validation expérimentale d'une plate-forme de chambre de fenêtre d'implant crânien (CIWC) pour étudier la cicatrisation péri-implantaire par voie in vivo sur des échelles de temps cliniquement pertinentes. 2) Etude de l'effet de la topographie de la surface de l'implant sur le modèle spatio-temporel de néovascularisation, le recrutement d'une population de cellules progénitrices mésenchymateuses résidant dans le tissu et, finalement, le schéma de formation osseuse in vivo spatiotemporel. 3) Déconvolution du ou des mécanismes biophysiques possibles sous lesquels les nanosurfaces ont considérablement modifié l'angiogenèse et l'afflux de cellules progénitrices périvasculaires in vitro.

Keywords: animal models
implant
intravital mimcroscopy
in vivo imaging
mesenchymal cells
wound healing
Advisor: Davies, John E
DaCosta, Ralph S