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SIGNALISATION DANS LE TISSU OSSEUX : IMPLICATION DANS LE REMODELAGE DES OS LE TISSU OSSEUX Tissu conjonctif solide et calcifié assurant 3 fonctions essentielles dans l’organisme: 1) mécanique & protectrice (adaptation aux contraintes mécaniques) 2) métabolique (équilibre phosphocalcique) 3) hématopoiétique (support structural et fonctionnel aux cellules hématopoiétiques) Répartition des différents types de tissus osseux (compact et spongieux) dans les trois variétés anatomiques d’os -Tissu osseux de l’adulte est lamellaire Os long Os spongieux Périoste Cavité médullaire Os court Os compact Os plat -La plupart des os sont contitués d’une zone externe de tissu osseux compact et d’une zone interne de tissu spongieux -Os compact résistant = 80-90% calcifié, activité cellulaire réduite (fonction mécanique et protectrice) -Os spongieux = 15-25 % calcifié, activité cellulaire plus importante (fonction métabolique) Les cellules du tissu osseux Schéma d’un tissu osseux ostéoclaste ostéoblastes Cellules bordantes canalicule Ostéocytes Matrice osseuse calcifiée Histologie Moléculaire, Poirier et al, 5ème édition, 1997, Masson REMODELAGE OSSEUX Propriété remarquable et caractéristique des os à se renouveler tout au long de la vie Résorption Formation Equilibre Ostéoclaste Ostéoblaste Protéases + H+ Matrice osseuse organique OC/OB: action coordonnée et séquentielle dans le temps et dans l’espace Un cycle de remodelage = environ 4 mois chez l’adulte Squelette adulte sain renouvelé totalement en 10 ans REMODELAGE OSSEUX Bases du concept : dialogue ostéoblaste/ostéoclaste et couplage de leurs activités dialogue OCL Résorption excès défaut OB couplage ostéopétrose ostéoporose OB Formation excès défaut Quantité d’os ancien résorbé doit être compensé par un dépôt équivalent de nouvelle matrice La matrice osseuse matrice minérale : hydroxyapatite + [Ca10(PO4)6(OH)2] et carbonate de calcium matrice organique:-85 % collagène (type I, traces types X, III, V) organisé en triple hélice a -15 % protéines non-collagéniques (substance fondamentale) Composition substance fondamentale Protéines osseuses non-collagéniques Ostéocalcine Protéine matricielle Gla Glycoprotéines : Phosphatase alcaline Thrombospondine, ostéonectine, fibronectine, vitronectine Tetranectine Sialoprotéines: Ostéopontine, bone sialoprotéine Protéoglycannes: versican, décorine, biglycan, fibromoduline, ostéoadhérine Facteurs de croissance: (IGFs, TGFsb, PDGF) Interleukines (IL-1, IL-6, IFNs-g, TNFs) Chimiokines (MCP-1) Protéines plasmatiques Glycoprotéine a2HS Albumine, immunoglobulines hormones 15-25 % 2% 9% 15-25% 10% 4% - de 1% - de 1% - de 1% 5-10% 3% - de 1% Les ostéoblastes proviennent de la différenciation de cellules souches mésenchymateuses pluripotentes Cellule ostéoprogénitrice Sox9 Chondroblaste Cbfa1/Runx2 Cellule pluripotente mésenchymateuse Myo D Ostéoblaste PPARg2 PPARg2 Cellule bordante Adipocyte Ostéocyte Myoblaste Présence de cellules souches multipotentes dans le tissu adipeux humain fraction adipocytaire tissu adipeux fraction stromale Population cellulaire hétérogène ex vivo différenciation en : ostéoblastes, chondroblastes, cellules endothéliales, myocytes et cardiomyocytes. transplantation chez l’animal Potentiel thérapeutique démontré : -re-vascularisation de membre ischémié -production de substance ostéoïde clonage hMADS human Multipotent Adipose-Derived Stem cell cellule souche multipotente transplantation chez l’animal Ex: Régénération musculaire : expression de dystrophine chez la souris mdx (modèle animal de la maladie de Duchenne) Allotransplantation sans traitement immunosuppresseur ? Application à d’autres pathologies (ostéoporose) Origine commune des cellules ostéogéniques Cellule pluripotente mésenchymateuse Cellule ostéoprogénitrice Ostéoblaste Cellule bordante Ostéocyte Ostéoblaste et tissu ostéoide N OB 1 N N OB 2 OB 3 Matrice non-calcifiée (ostéoide) Matrice calcifiée (hydroxyapatite) Observation en microscopie électronique d’un groupe d’ostéoblastes recouvrant une couche de tissu ostéoide minéralisé contenant un ostéocyte (flèche).Noyau basal, Golgi proéminent et réticulum endoplasmique développé caractérisent un ostéoblaste actif. (Gr x 3000) Observation d’un ostéocyte en microscopie électronique Matrice calcifiée N G Extension cytoplasmique RE Ostéocyte enchâssé dans une matrice calcifiée (noir=cristaux d’hydroxyapatite). Noyau basal, app. Golgi et RE développés. Présence d’extensions cytoplasmiques dans la matrice calcifiée (Gr x 5000). Baron R., 1999, p3-10, In primer on the metabolic bone diseases and disorders of mineral metabolism, Edited by Lippinscott and Wiliiams Schéma de l’organisation des ostéocytes dans la matrice osseuse Jonction Gap Espace péri-ostéocytique rempli de fluide extracellulaire Matrice récente non calcifiée (ostéoïde) Ostéoblaste Matrice ancienne calcifiée Ostéocyte d’après Duncan et Turner, 1995 Cellule bordante REGULATION DE LA CROISSANCE ET DE LA DIFFERENCIATION DES OSTEOBLASTES Progression Marqueurs Cellule souche (pluripotente) Sca-1+, Stro-1+ Auto-renouvellement Cellule souche mésenchymateuse ( indifférencié) SB-10 Prolifération/ différenciation Ostéo-progéniteur (déterminé), Prolifération/ différenciation Pré-ostéoblaste Engagé Prolifération/ différenciation Ostéoblaste SB2,3,4, Runx2 E11,RCC455, Runx2, Collagènes I & III, ostéopontine, Phosphatase alcaline Ostéogenèse E11, SB2, Phos. Alc., Collagène I et V, bone Sialoprotéine Ostéopontine, Ostéocalcine Olsen etal., 1999, p11-29, In primer on the metabolic bone diseases and disorders of mineral metabolism, Edited by Lippinscott and Wiliiams REGULATION DE LA CROISSANCE ET DE LA DIFFERENCIATION DES OSTEOBLASTES Facteurs contribuant au phénotype Cellule souche Autorenouvellement BMPs * TGFs b Cellule mésenchymateuse (ostéoprogéniteur inductible) Prolifération/ différenciation Ostéoprogéniteur (déterminé) Prolifération/ différenciation Pré-ostéoblaste (engagé) Prolifération/ différenciation Wnts * LIF FGFs * PDGF Wnts * PTH/PTHrP * 1,25 Vit D3 PGE2 Cytokines IGF-1 et 2 * TGFs bBMPs * Ostéoblaste Production de matrice osseuse Olsen et al., 1999, p11-29, In primer on the metabolic bone diseases and disorders of mineral metabolism, Edited by Lippinscott & Wiliiams Contrôle central de la formation osseuse : action anti-ostéogénique de la leptine Hypothèse 1 Karsenty et al: Existence d’une régulation coordonnée, de nature endocrine, de la formation osseuse et du métabolisme Anorexie mentale de l’enfant arrêt de croissance Anorexie de l’adulte ostéoporose Obésité masse osseuse élevée protection ostéoporose Ostéoporose apparition à la ménopause Nouvelle hypothèse Karsenty et al: Régulation coordonnée de la masse osseuse, du métabolisme énergétique et de la reproduction Contrôle central de la formation osseuse : action anti-ostéogénique de la leptine Hypothalamus rôle inhibiteur de la leptine sur la formation osseuse Leptine (hormone anorexigène) souris déficientes en leptine (ob/ob) ou en récepteur (db/db) Tissu adipeux + masse graisseuse (obésité) D’après Elefteriou et al, 2003 + Hypogonadisme masse osseuse Contrôle central de la formation osseuse : action anti-ostéogénique de la leptine leptine rôle inhibiteur majeur de la leptine sur la formation osseuse - sérotonine Système nerveux sympathique Hypothalamus Norépinéphrine Leptine (hormone anorexigène) souris déficientes en leptine (ob/ob) ou en récepteur (db/db) Tissu adipeux b2 R RANKL ostéoblaste b bloquants + masse graisseuse (obésité) D’après Elefteriou et al, 2003 Indépendance des réseaux de neurones impliqués + - masse osseuse Contrôle central de la formation osseuse : action anti-ostéogénique de la leptine leptine + Hypothalamus rôle inhibiteur de la leptine sur la formation osseuse - sérotonine Système nerveux sympathique CART Norépinéphrine Leptine (hormone anorexigène) souris déficientes en leptine (ob/ob) ou en récepteur (db/db) Tissu adipeux b2 R RANKL ostéoblaste b bloquants + masse graisseuse (obésité) D’après Elefteriou et al, 2003 Indépendance des réseaux de neurones impliqués + - masse osseuse Transmission du signal mécanique par les cellules osseuses: les acteurs potentiels Mécano-récepteur (canaux ioniques mécanosensibles et intégrines) Contraintes mécaniques Matrice récente Jonction Gap PGs, IGFs, etc OB Ostéocyte Cellule bordante Ostéoprogéniteur Pré-OB moelle Déformations mouvements de liquide d’après Duncan et Turner, 1995 Principales étapes de l’ostéoclastogénèse CS hématopoïétique Précurseur myéloïde Monocytes/ macrophages Pré-ostéoclaste Moelle osseuse Cellules dendritiques Ostéoclaste Facteurs clefs : M-CSF RANKL OPG Ostéoclaste actif Ostéoclaste apoptotique d’près Aubin et al, 2000, Osteoporosis International, 11,905-913 Surface de l’os après Migration Contrôle in vitro des fonctions des ostéoclastes par M-CSF, RANKL et OPG M-CSF RANKL OPG + - Prolifération/ différenciation Précurseur myéloïde Pré-ostéoclaste RANKL OPG Activité de résorption RANKL OPG OPG RANKL + - Fusion et activation + - + - Ostéoclaste mature Apoptose Ostéoclaste apoptotique Hofbauer et al, 2000, Journal of Bone & Mineral Research,15, 2-12 Régulation de l’ostéoclastogénèse dans l’environnement osseux par M-CSF, RANKL et OPG Précurseur hématopoéïtique Expression de RANK et FMS M-CSF + RANKL + Ostéoblaste OPG RANKL RANK Précurseur ostéoclastique Etudes génétiques - + RANKL et M-CSF: Formes solubles Formes membranaires FMS Matrice osseuse TRAF2 c-SRC TRAF6 c-SRC Ostéoclaste mature JNK NF-kB Phénotype ostéopétrotique : mutation inhibitrice de FMS,invalidation de RANK, TRAF6, NFkB, surexpression par transgenèse d’OPG. Phénotype ostéoporotique : surexpression par transgenèse de RANKLs, invalidation d’OPG Facteurs influençant l’ostéoclastogénèse Effet +/résorption effet négatif/résorption Hormones PTH calcitonine (4) Estrogènes & (2,4) 1,25(OH)2 Vit D (2,4) Glucocorticoïdes (indirect) Hormones thyroïdiennes Facteurs locaux ? ILI a & b IL6 TNFa & b PTHrP (2,4) PGE2 ? M-CSF RANKL Prolifération 1 androgènes Différenciation 2 IL18 & IFN g TGF b OPG Survie /fusion 3 Activation 4 Apoptose 5 Hypothèse de convergence pour la régulation du processus d’ostéoclastogénèse et des fonctions des ostéoclastes TNF-a Cat4 Lymphostatin LIF, IL-6 IL11 Cat3 PTH, PGE2, IL1 1,25 (OH)2VitD Oestrogènes Stéroïdes Cat2 Gp Jak 130--P AMPc + PKA CREB --P --P TRAFs STAT P G ATP Cat5 PKA P JNK-p38 STAT Cat6 NF-kB/IkB NF-kB Smads + Co-Smad P- axin P- GSK3 APC --P Cat1 STAT --P P P CREB --P STAT TGF b BMPs bcat -P AP-I bcat NK-kB bcat noyau OB RANKL OPG Aubin et al, 2001, Osteoporosis International,11, 905-913, Moustaka et al J. Cell Science 2001, 114, 4359-4369 Baud et al, 2001, TRENDS in cell Biology, 11, 372-377,Hagemann et al, 2001, Cellular Signaling, 13,863-875 Heymann,2000, Cytokine,12,1455-1468 Wnts Balance RANKL /OPG : nouvelles cibles thérapeutiques RANKL Effecteur(s) favorisant RANKL Augmentation du pool d’ostéoclastes OPG Effecteur(s) favorisant OPG Diminution du pool d’ostéoclastes Validation du système RANKL/OPG chez l’animal OPG, RANKL et intermédiaires des voies de signalisation sont des cibles thérapeutiques prometteuses. (essai clinique en cours OPG: ostéoporose chez la femme ménopausée) Cycle de résorption-migration des ostéoclastes Podosomes: actine Fimbrine,actinine,gelsoline,cortactine cortactine, vinculine, taline c-Src, c-Cbl, Pyk2, FAK Intégrines:aVb3 aVb5 a2b1 (R collagène I) Sealing zone Thrombospondine Ostéopontine Sialoprotéines Collagène I Matrice osseuse 1 Migration 2 Arrêt 3 Résorption Ancrage des ostéoclastes à la matrice osseuse Bipolarité morphologique et fonctionnelle des ostéoclastes POMPES RECEPTEURS CANAUX IONIQUES RANK N R calcitonine N N Pôle basolatéral TRANSPORTEURS Lysosomes Sealing zone Cl- Matrice osseuse H+ Enzymes Ostéopontine Sialoprotéines Thrombospondine Collagène Pôle apical (bordure en brosse) Mécanisme moléculaire de résorption osseuse Excréteur d’acide H+ Na+ Na/K ATPase Canaux potassium Na+ K+ K+ Excréteur HCO3 de base Cl- CIC7 Cl- Matrice osseuse N CO2 + H2O Anhydrase Carbonique II HCO3 + H+ Cl- Pôle basolatéral N N Lysosomes H-ATPase H+ Enzymes: Cathepsine K MMP9 TRAP Compartiment de résorption Sealing zone Ostéopontine Sialoprotéines Thrombospondine Collagène Pôle Apical Déroulement d’un remodelage osseux (séquence ActivationRésorptionFormation) Activation Ostéoclaste (différenciation des OC) Rétraction des cellules bordantes Résorption Cellule bordante ostéocyte (2 semaines) matrice Phase de repos Ostéoblaste Formation (3-6 mois) Phase de renversement Découplage résorption/formation: cas des métastases osseuses ostéolytiques Cellule métastatique PTH-rP,TNFa Ostéoblaste IGF RANKL/OPG TGFb IGF Ca2+ Col Acidification Cathepsine K MMP9 Augmentation de l’ostéolyse OC Boucle de rétroaction positive favorisant la destruction osseuse ainsi que le recrutemen et la prolifération des cellules métastatiques
