I. Couret Biolog ie du rremodela emodela ge osseux Biologie emodelag Isabelle Couret Service de Médecine Nucléaire - Hôpital Lapeyronie - CHU - Montpellier - Résumé Le squelette adulte se renouvelle en permanence, de l’ordre de dix pour cent par an, dans des unités cellulaires de base où agissent les ostéoclastes et les ostéoblastes. Ce remodelage osseux, est nécessaire au maintien de l’homéostasie calcique, à la conservation des propriétés mécaniques de l’os et à la cicatrisation des fractures. Les grandes étapes du remodelage osseux sont caractérisées par l’engagement, la prolifération et la différenciation de cellules souches pluripotentes. Les ostéoclastes proviennent de cellules hématopoïétiques dont la différenciation est sous la dépendance des cellules précurseurs ostéoblastiques du stroma médullaire. Ce sont des cellules multinuclées géantes capables de détruire de grandes quantités de la matrice extracellulaire osseuse et d’en dissoudre la partie minérale. Les ostéoblastes ont pour origine des cellules mésenchymateuses du stroma médullaire. Les ostéoblastes différenciés produisent la matrice extracellulaire osseuse et la minéralisent. Ils se caractérisent par la synthèse de collagène de type I, de protéines non collagèniques, de facteurs locaux et par l’expression de la phosphatase alcaline osseuse. A la fin de la phase de formation, une partie des ostéoblastes meurent par apoptose, l’autre partie des ostéoblastes devient des cellules bordantes ou des ostéocytes inclus dans l’os. L’équilibre entre destruction et formation de l’os est régulé par un réseau complexe d’interactions entre les cellules osseuses, les hormones systémiques (hormone parathyroïde, vitamine D, calcitonine), et les facteurs de croissance et les cytokines du microenvironnement local. Le système RANKL, RANK, OPG, identifié comme le médiateur ultime contrôlant les ostéoclastes représente une avancée majeure dans la compréhension de la biologie du remodelage osseux. Remodelage Osseux / Ostéoclastes / Ostéoblastes / Hormones systémiques / Facteurs de croissance / Cytokines / RANK-L, RANK, OPG Correspondance : Isabelle Couret Service de Médecine Nucléaire - Hôpital Lapeyronie - Avenue du Doyen Giraud - 34295 Montpellier Cedex 5 Tél. : 04 67 33 84 23 (secret : 04 67 33 97 15) - E-mail : [email protected] Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 57 Biologie du remodelage osseux INTRODUCTION !L’os adulte se renouvelle en permanence, de l’os ancien est détruit et remplacé par de l’os neuf dans des unités multicellulaires régulées dans le temps et l’espace. Ce processus de remodelage osseux est nécessaire au maintien de l’homéostasie calcique et à la conservation de l’intégrité du squelette. Les ostéoclastes et les ostéoblastes doivent se différencier, agir, et entrer en apoptose de façon exactement concertée pour maintenir l’équilibre entre destruction et formation. Le remodelage osseux est orchestré par ces deux types cellulaires, des facteurs locaux du microenvironnement, cytokines et facteurs de croissance, et des hormones systémiques dans un réseau complexe d’interactions. Le système RANK-L, RANK, Ostéoprotégérine représente le facteur ultime de régulation des ostéoclastes. STRUCTURE DE L’OS !L’os est un tissu complexe qui possède trois principales fonctions : 1) la formation du squelette et le maintien de son intégrité, 2) être une réserve de calcium et 3) servir de contenant à la moëlle osseuse. L’os adulte est principalement de deux types : l’os cortical compact et l’os spongieux ou trabéculaire. L’os cortical, situé essentiellement dans les os longs, est constitué d’ostéones. Un ostéone est formé par des lames osseuses concentriques disposées autour d’un canal haversien par où passent des capillaires sanguins et des filets nerveux. Ces canaux haversiens sont reliés entre eux, avec la surface de l’os et avec la moëlle osseuse par des canaux transversaux ou obliques. Chaque ostéone est aligné parallèlement à l’axe de la diaphyse avec un trajet légèrement hélicoïdal. Entre les ostéones, se trouvent des lamelles osseuses provenant d’ostéones plus anciens résorbés. L’os spongieux est formé d’un réseau en trois dimensions de trabécules de 58 tissu osseux, ramifiées et anastomosées. C’est dans ce réseau que prend place la moëlle osseuse et des vaisseaux. L’os est une matrice extracellulaire hautement spécialisée et étroitement associée à une substance minérale solide. La partie organique de la matrice extracellulaire osseuse est constituée principalement de fibres de collagène de type I mais aussi de protéines non collagéniques: l’ostéocalcine, l’ostéonectine, la thrombospondine, la fibronectine, la vitronectine l’ostéopontine et de protéoglycanes. Des cytokines et des facteurs de croissance sont aussi contenus dans la matrice extacellulaire osseuse. Le collagène de type I est formé par des triples hélices de molécules de collagène qui se lient entre elles pour donner des microfibrilles qui se regroupent en faisceaux pour donner les fibres de collagène I. La partie minérale de la matrice extracellulaire osseuse est constituée de cristaux d’hydroxyapatite : Ca10(PO4)6 (OH)2. La minéralisation débute à partir des fibres de collagène [1]. LE REMODELAGE OSSEUX !Le tissu osseux doit permettre la formation adaptée du squelette durant la croissance, la conservation de ses propriétés mécaniques et leur adaptation aux contraintes, la réparation des fractures et la mise à disposition du calcium qu’il stocke. Pour assurer ces propriétés, l’os est en perpétuel renouvellement : le remodelage osseux. Au cours du remodelage osseux, l’os ancien est détruit ou résorbé par les ostéoclastes et remplacé par de l’os nouveaux par les ostéoblastes [1]. A l’âge adulte, c’est l’équilibre entre ces deux processus qui permet le maintien de l’intégrité de la masse osseuse et le maintien de l’homéostasie calcique. Par an, dix pour cent de l’os du squelette adulte est renouvelé. Le remodelage a lieu dans une structure définie appelée unité multicellulaire de base (BMU) qui a pour dimensions 1 à 2 mm de Médecine Nucléaire - long et 0,2 à 0,4mm de large. Chez l’adulte, à tout moment, environ un million de BMUs sont actives. Dans l’os cortical, les BMUs progressent à la façon d’un tunnellier creusant l’os en front et resynthétisant de l’os neuf à l’arrière [2]. Dans l’os trabéculaire, les BMUs traversent de part en part l’os et forment une tranche neuve. Les acteurs principaux du remodelage osseux, les ostéoclastes et les ostéoblastes, agissent de façon exactement orchestrée dans l’espace et dans le temps. La durée de vie d’une BMU est de 6 à 9 mois, période durant laquelle les ostéoclastes et les ostéoblastes doivent être recrutés en permanence. Le cycle débute par l’activation des précurseurs des ostéoclastes et leur différenciation. Ceux-ci détruisent la matrice osseuse puis entrent en apoptose. Parallèlement les précurseurs ostéoblastiques sont activés et les ostéoblastes se différencient [1]. Ils synthétisent, en arrière du front des ostéoclastes, l’os neuf et remplissent d’abord la cavité de matrice extracellulaire organique, la matrice ostéoïde, qui ensuite se minéralise. Une partie des ostéoblastes meurt par apoptose ; l’autre partie devient des ostéocytes inclus dans la matrice osseuse et des cellules bordantes qui recouvrent la surface de l’os à l’état quiéscent. LES CELLULES OSSEUSES !Les ostéoblastes et les ostéoclastes, sont originaires de la moëlle osseuse. L’activation de leurs précurseurs, leur différenciation et leur recrutement sont contrôlés par des processus complexes où interviennent des facteurs de croissance, des cytokines, les interactions de cellule à cellule, les interactions entre cellules et matrice extracellulaire mais aussi des hormones systémiques. Les ostéoclastes !Les précurseurs des ostéoclastes sont des cellules souches hématopoïétiques de la lignée monocyte/ Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 I. Couret macrophage avec le CFU-GM (granulocyte and macrophages colonyforming cells) comme premier précurseur identifié. La différenciation des précurseurs en ostéoclastes est initiée puis reste sous le contrôle des cellules préostéoblastiques du stroma médullaire. Les préostéoblastes stimulent la différentiation et la prolifération des ostéoclastes par des contacts de cellule à cellule et en sécrétant du M-CSF (macrophage colonystimulating factor) et du RANK-L [3]. D’autres facteurs interviennent sur la différenciation des ostéoclastes : des cytokines, des hormones systémiques ou des facteurs de croissance. Les préostéoclastes fusionnent pour donner les ostéoclastes qui parviennent sur le site de la BMU par la circulation. Les ostéoclastes matures sont des cellules géantes multinucléées de 50 à 100 µm de diamètre, avec de nombreux lysosomes, et qui contiennent de grandes quantités de phosphatase acide tartrate résistante. La morphologie des ostéoclastes se caractérise par une bordure en brosse formée par des extensions "en doigts" de la membrane cytoplasmique. La fonction de la bordure en brosse est la destruction de l’os. Elle est entourée par "la zone claire", zone de la membrane par où l’ostéoclaste se scelle étroitement par des intégrines aux protéines de la matrice osseuse (fibronectine, ostéopontine, collagène I, sialoprotéine). Cet ancrage de la zone claire sur la surface osseuse délimite un micro-environnement nécessaire à la résorption. La partie minérale de l’os est dissoute par des ions H+ sécrétés par des pompes H+ATPase situées au niveau de la bordure en brosse. La partie organique de la matrice extracellulaire est dégradée par des phosphatases acides, des métalloprotéinases et des cathepsines [4]. La durée de vie des ostéoclastes est de 15 jours en moyenne, ils meurent ensuite par apoptose. Les ostéoblastes !Les précurseurs des ostéoblastes proviennent majoritairement de cellules souches mésenchymateuses du Médecine Nucléaire - stroma médullaire. Les précurseurs ostéoblastiques du stroma médullaire, ou cellules ostéoprogénitrices, proviennent de la prolifération de clones de cellules pluripotentes qui peuvent se différencier, en adipocytes, en chondrocytes ou en myoblastes, selon l’expression de facteurs de transcription spécifiques. L’ostéogénèse débute par la prolifération des cellules ostéoprogénitrices [5]. Après arrêt de la multiplication cellulaire la différentiation en ostéoblastes est conduite par des processus complexes orchestrés par des interactions entre cellules, entre cellules et matrice, et par des facteurs hormonaux ou locaux. Les préostéoblastes parviennent à la matrice osseuse par migration. Tout au long de leur maturation, les ostéoblastes expriment progressivement les gênes de la cellule fonctionnelle différenciée [6]. La fonction des ostéoblastes est de synthétiser la matrice osseuse et d’en contrôler la minéralisation. La principale molécule synthétisée est le collagène de type I. Cette protéine est d’abord sécrétée sous forme d’un précurseur, le procollagène, qui possède des peptides d’extension N et C-terminaux clivés par protéolyse dans le milieu extracellulaire. Les molécules de collagène de type I forment des triples hélices qui liées entre elles par des ponts pyridinolines s’assemblent en fibrilles. Ces fibrilles s’agencent en faisceaux. De nombreuses autres protéines incluses dans la matrice osseuse sont synthétisées par les ostéoblastes : l’ostéocalcine et l’ostéopontine qui représentent 50 % des protéines non collagéniques de l’os, des molécules d’adhésion qui interagissent avec les intégrines, des protéoglycanes et des facteurs de croissance. Les ostéoblastes sécrètent d’abord la matrice organique, ou matrice ostéoïde, structurée par les fibres de collagène où les protéines non collagéniques sont intriquées. Les ostéoblastes matures contrôlent ensuite la minéralisation de la matrice par dépôts de cristaux d’hydroxyapatite en régulant les concentrations locales en calcium et en phosphate [7]. Le calcium et les phosphates du milieu extracellulaire sont transférés au site de minéralisation par transport actif ou passif dans l’ostéoblaste [6]. Il est probable aussi que la minéralisation soit gouvernée par les fibres de macromolécules de la matrice osseuse puisque des protéines comme l’ostéopontine, la sialoprotéine osseuse et l’ostéonectine possèdent des sites de liaison au calcium [2]. Les ostéoblastes expriment de grandes quantités de phosphatase alcaline osseuse qui est un facteur important pour la minéralisation. Une déficience génétique en phosphatase alcaline chez la souris induit, en effet, un défaut de minéralisation osseuse [8]. Le volume de l’os est déterminé uniquement par la sécrétion de la matrice ostéoïde et la densité osseuse par la minéralisation. Les ostéocytes !Certains ostéoblastes, qui ne meurent pas par apoptose, se transforment en ostéocytes. Ces cellules sont incluses dans la matrice osseuse et reliées entre elles et avec les cellules de la surface osseuse par des extensions de la membrane cytoplasmique. Les ostéocytes sont les cellules les plus abondantes de l’os, espacées régulièrement dans la matrice en formant un réseau de communication. Ce sont des cellules sensibles aux stimulus mécaniques qui détectent le besoin d’une augmentation ou d’une diminution de la formation osseuse dans le processus d’adaptation fonctionnelle ou en cas de micro fractures [2]. Les cellules bordantes !Une autre partie des ostéoblastes qui ont accompli leur fonction d’ostéogénèse se transforme en cellules bordantes. Ce sont des cellules plates et allongées qui se trouvent à la surface de l’os à l’état quiescent. Les cellules bordantes sont alignées sur une couche de matrice osseuse non minéralisée. Il a été proposé l’hy- Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 59 Biologie du remodelage osseux pothèse que ce sont les cellules bordantes qui envoient un signal aux préostéoclastes pour leur localisation dans l’os. Les cellules bordantes agissant sur un signal des ostéocytes, seraient capables de déterminer le besoin de remodelage en un lieu et un temps spécifiques [2,9]. RÉGULATION DU REMODELAGE OSSEUX Les hormones systémiques Vitamine D La vitamine D a deux sources : sous la forme Vitamine D3, elle est formée à partir de l’action des UV (270 – 300 nm) sur le 7-dehydrocholesterol de la peau ; l’autre source de Vitamine D est alimentaire sous la forme de vitamine D2. La vitamine D2 se différencie de la vitamine D3 par un reste méthyl en position 24. Les deux formes ont des devenirs biologiques quasiment identiques. La vitamine D reste peu circulante, elle est rapidement stockée dans les tissus adipeux (réserve mobilisable pendant plusieurs mois) ou est métabolisée. La métabolisation de la vitamine D s’effectue en deux étapes. Tout d’abord dans le foie où elle subit une hydroxylation en position 25 par une 25 hydroxylase. Ce métabolite, 25hydroxy vitamine D (25-(OH)D) est présent dans la circulation sanguine lié à 99 % à la DBP (D binding protein). Dans le rein, la 25-(OH)D est hydroxylée en position 1a par une 1a hydroxylase pour donner le métabolite actif : la 1a, 25-dihydroxy vitamine D (1,25-(OH)2D). Le complexe DBP25-(OH)D est filtré au niveau glomérulaire puis réabsorbé au niveau des tubules rénaux pour mettre à disposition la 25-(OH)D comme substrat pour la 1a hydroxylase. La DBP est indispensable à ce processus de métabolisation rénale, ainsi des souris déficientes en DBP meurent par insuffisance en vitamine. D’autre part, la liaison à la DBP de la 25-(OH)D la protège d’une dégradation hépatique et constitue une forme de réserve en 25-(OH)D (10). Les taux de 1,25- 60 (OH)2D sont maintenus stables par le contrôle de l’activité 1a hydroxylase. La PTH régule étroitement la 1a hydroxylase en induisant son expression par la voie AMPc/ phosphatidynilinositol 4,5 biphosphonate. Et un rétrocontrole négatif du taux de 1,25(OH)2 D s’exerce sur la 1a hydroxylase, inactivée lorsque ce taux s’élève. Le catabolisme de la 1,25-(OH)2D se fait par une 24 hydroxylase qui donne les métabolites : 24,25-(OH) 2D ou 1,24,25-(OH) 3 D, éliminés après métabolisation et dégradation. Ce catabolisme est aussi régulé par la 1,25(OH)2 D qui active la 24 hydroxylase lorsque son taux s’élève [11,12]. La 1,25-(OH)2D est une hormone impliquée dans l’homéostasie du calcium et du phosphate et le maintien de l’intégrité du squelette. La principale action de la 1,25-(OH)2D est de stimuler l’absorption intestinale du calcium et du phosphate. Au niveau de l’os, la 1,25-(OH)2D active la différenciation et la maturation des ostéoblastes, en présence de PTH. A doses physiologiques, l’effet est anabolique et les ostéoblastes sécrètent la matrice osseuse. A doses plus importantes, l’effet est inverse : les ostéoblastes activent la différenciation et la prolifération des ostéoclastes qui vont détruire l’os et permettre la mobilisation du calcium [13]. La 1,25(OH)2D régule aussi l’homéostasie calcique par son action sur la parathyroïde : elle exerce un effet suppressif sur la prolifération des cellules de la parathyroïde et sur leur sécrétion de PTH [11]. La 1,25-(OH)2D agit par l’intermédiaire du vitamin D receptor (VDR) qui est un récepteur nucléaire. Ce récepteur est ubiquitaire, ce qui suggère que la 1,25-(OH)2D joue un rôle dans de nombreux processus physiologiques. Mais le VDR est surtout présent en forte concentration au niveau des reins, du tissu osseux, de l’intestin et des parathyroïdes. Des travaux ont montré que des souris déficientes en VDR mais largement supplémentées en calcium et en phosphore dans leur alimentation ont un développement normal de leur squelette. Il existerait donc des mécanismes Médecine Nucléaire - compensatoires à l’action de la 1,25(OH)2D sur les ostéoblastes [12]. Parathormone La parathormone (PTH), sécrétée par les parathyroïdes, régule la calcémie et le métabolisme osseux. La forme active de la PTH est un peptide de 84 acides aminés dont le fragment N-terminal (1-34) est porteur de l’activité biologique. Les six premiers acides aminés, et surtout les deux premiers résidus sont indispensables à l’activité biologique de la PTH [14]. L’hormone se lie par son extrémité N-terminale à son récepteur : le récepteur de la parathormone de type I, présent sur ses cellules cibles et active la voie de l’adénylate cyclase, et les protéines kinases A (PKA) et C (PKC) [15]. Le rôle principal de la PTH est de maintenir l’homéostasie du calcium en mobilisant le calcium osseux et augmentant son absorption. Son action s’exerce sur les os, les reins et indirectement sur l’intestin. La sécrétion de la PTH est étroitement régulée par la concentration sérique en calcium ionisé qui agit sur un récepteur transmembranaire "sensible au calcium" des cellules des parathyroïdes. Une diminution de la calcémie provoque la sécrétion de PTH(1-84) en quelques secondes ; et inversement, en cas d’augmentation de la calcémie, la sécrétion de PTH est rapidement freinée. Il existe une régulation plus lente des parathyroïdes, sur plusieurs heures, par le métabolite actif de la vitamine D (1,25dihydroxyvitamine D) qui diminue le taux de mRNA de la PTH exprimé par les cellules parathyroïdiennes. A l’inverse, l’hypocalcémie prolongée augmente l’expression du mRNA de la PTH [16]. La PTH (1-84) sécrétée est rapidement dégradée sous forme de nombreux fragments dans les glandes parathyroïdes et le foie avec une demi-vie sérique de l’ordre de quelques minutes. Les produits de dégradation sont éliminés par voie rénale ; le principal fragment, PTH-(7-84), s’accumule en large quantité chez l’insuffisant rénal [17]. Au niveau des reins la PTH a une triple action pour réguler la calcémie: Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 I. Couret 1) elle augmente la réabsorption du calcium filtré ; 2) elle augmente l’excrétion du phosphate ; 3) elle active, au niveau du tubule proximal, la 1ahydroxylase qui transforme la vitamine D en son métabolite actif : 1,25(OH)2 D. Sur l’os la PTH augmente la résorption osseuse par la stimulation de la différenciation des ostéoclastes et de leur prolifération. Dans ce processus, la PTH agit sur les cellules préostéoblastiques du stroma médullaire qui vont exprimer les facteurs locaux de différenciation des ostéoclastes [18]. Mais la PTH a aussi un effet anabolique sur l’os en stimulant la prolifération des ostéoblastes. Cet effet résulte d’une triple action de la PTH sur les ostéoblastes : 1) la conversion des cellules bordantes en ostéoblastes, 2) la stimulation l’expression par les ostéoblastes matures de facteurs de croissance (IGF1 et FGF) et 3) l’inhibition de leur apoptose [19]. L’action de la PTH sur l’os diffère selon son mode d’administration. L’augmentation de la résorption s’observe in-vitro et chez l’animal lors de la perfusion en continu de PTH-(1-34). Par contre, l’exposition intermittente d’ostéoblastes à la PTH-(1-34) augmente leur différenciation (20). Chez l’homme, le traitement par injection journalière de PTH-(1-84), pendant 12 mois, augmente significativement la densité minérale osseuse du rachis [21]. Calcitonine La calcitonine sécrétée par les cellules C de la thyroïde est un peptide de 32 acides aminés. C’est l’une des rares hormones qui agit directement sur les ostéoclastes. La calcitonine a une action anti-résorption en inhibant la fonctionnalité des ostéoclastes et en accélérant leur apoptose. Cependant, le rôle physiologique exact de cette hormone demeure mal connu [2]. Avec la calcitonine, la résorption est inhibée aussi par la prostaglandine E2 qui possède des récepteurs sur les ostéoclastes. Estrogènes Les estrogènes sont avant tout des Médecine Nucléaire - inhibiteurs de la résorption osseuse. Chez la femme en post ménopause, la perte de masse osseuse par déficience en estrogènes ne serait pas due à des altérations de la régulation de la calcémie par la PTH et la 1,25(OH)2D mais à un défaut de régulation de la balance entre formation et perte osseuse. Les ostéoclastes et les ostéoblastes ont des récepteurs estrogéniques. Le mécanisme qui semble le plus important est l’inhibition de la synthèse par les ostéoblastes de cytokines impliquées dans l’activation des ostéoclastes (interleukine-1 et interleukine-6 et tumor necrosis factor [22,23]. Facteurs de croissance et cytokines !Les facteurs de croissance et les cytokines sont des facteurs locaux dont l’action à lieu sur les cellules mésenchymateuses du stroma médullaire et les précurseurs ostéoblastiques et au niveau du micro-environnement osseux. Les cellules de la lignée ostéoblastique sécrètent de nombreux facteurs de croissance. Certains sont incorporés dans la matrice osseuse qui sert ainsi de réservoir où les facteurs de croissance sont protégés de la protéolyse enzymatique par leur liaison aux protéoglycanes. Ces facteurs de croissance indispensables à la différenciation et la survie des cellules osseuses vont activer l’expression par les ostéoblastes de plusieurs cytokines. Parmi les facteurs de croissance les BMPs (bone morphogenic proteins) ont des propriétés ostéoinductives invivo. Les BMPs (BMP-2 à -7) appartiennent à la famille des polypeptides TGFb (transforming growth factor b) et sont directement impliquées dans le développement embryonnaire et la cicatrisation des fractures osseuses [24]. Les BMPs, en particulier BMP-2, ont pour fonction d’induire la différenciation des ostéoblastes, ce qui provoque l’accroissement du nombre d’ostéoblastes matures et l’augmentation de leur fonctionnalité. Dans l’os, l’une des plus importantes BMPs est la BMP-2 qui active un facteur de transcription spécifique des ostéoblastes : le Cbfa1. Ce facteur Cbfa1 va alors activer des gênes spécifiques responsables de l’expression de protéines spécifiques de la matrice osseuse telles que l’ostéonectine, le collagène de type I, l’ostéopontine et la sialoprotéine osseuse. La BMP-4 induit l’expression des gênes de l’ostéocalcine de la phosphatase alcaline et de la minéralisation en activant le facteur de transcription Dlx5 [2-24]. D’autres facteurs de croissance tels que le fibroblast growth factor (FGF), les insulin growth factor (IGF), le transforming growth factor (TGFb), le plateletderived factor (PDGF) stimulent aussi la différenciation et la prolifération des ostéoblastes. Les plus étudiés, les IGFs sont stockés en grande quantité dans la matrice osseuse. Les IGF-I et II stimulent la prolifération des ostéoblastes et augmentent leur synthèse de collagène de type I. La teneur en IGF-I et IGF-II de l’os cortical diminue avec l’âge sans lien avec la perte osseuse. Par contre, les concentrations locales en IGF-I et –II sont corrélées avec le nombre d’unités osseuses en remodelage et l’augmentation du remodelage osseux [25]. Les effets des IGFs sur les ostéoblastes sont modulés par des protéines porteuses (IGF-BPs) synthétisées par les ostéoblastes. IGF-BP5 qui lie principalement les IGFs dans l’os, stimule l’action d’IGF sur les ostéoblastes, au contraire, IGF-BP4 bloque l’action d’IGF [2]. La production des facteurs de croissance par les ostéoblastes est régulée par les hormones systémiques. Ainsi, la PTH et les estrogènes stimulent la production d’IGF-I et de TGFb. Les facteurs de croissance qui sont présents aussi dans la matrice osseuse, en réserve, pourraient être des facteurs de couplage entre destruction et formation osseuse. Parmi les nombreuses cytokines, celles qui activent la protéine transmembranaire gp130, ont une action déterminante sur les cellules osseuses. Les interleukines 6 (IL-6) et -11 (IL-11) se lient à gp130 et à une sous unité de leur récepteur pour activer leur signal. IL-6, IL-11 et gp130 sont exprimés par les cellules de la lignée ostéoblastique. Les ostéoclastes expriment aussi gp130 et les sous unités spécifiques Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 61 Biologie du remodelage osseux des récepteurs d’IL-6 et IL-11 [26]. La PTH régule le remodelage osseux en stimulant la production d’IL-6 et d’IL11 par les ostéoblastes. Ces deux cytokines ont des effets inverses. IL-6 active la résorption osseuse en stimulant l’expression par les cellules ostéoblastiques de facteurs qui déclenchent la différenciation et la prolifération des ostéoclastes. IL-6 agit aussi directement sur les précurseurs ostéoclastiques hématopoïétiques pour activer leur différenciation en ostéoclastes. Cet effet de destruction osseuse d’IL-6 est montré in-vivo chez la femme où les taux circulants d’IL6 sont corrélés avec la perte osseuse durant les 10 premières années suivant la ménopause. Un traitement substitutif par estrogènes provoque une diminution en IL-6 circulante et un gain de masse osseuse [27]. A l’inverse d’IL-6, IL-11 stimulerait la formation d’ostéoblastes à partir des cellules souches mésenchymateuses du stroma médullaire. Des souris transgéniques avec une surexpression du gêne d’IL-11 présentent une augmentation de l’épaisseur de l’os cortical du fémur et de la résistance mécanique des os longs. De plus ces souris ne présentent pas de perte osseuse avec l’âge contrairement aux souris sauvages contrôles. L’action d’IL-11 sur les os s’effectue en augmentant l’action de BMP-2 sur les cellules osseuse, donc en stimulant la différenciation et la prolifération des ostéoblastes [28]. Les ostéoblastes et leur précurseurs du stroma médullaire produisent aussi les cytokines inflammatoires : l’interleukine-1(IL-1) et le tumor necrosis factor (TNFa) qui stimulent la destruction de l’os par les ostéoclastes et inhibent la formation osseuse par les ostéoblastes [29]. LE SYSTÈME RANK-L, RANK, OSTÉOPROTÉGÉRINE !Ce système à 3 composants, RANKL, RANK et OPG découvert à partir de 1997 [30] et depuis mieux élucidé grâce à des modèles de souris trangéniques représenterait la der- 62 nière clé qui contrôle la biologie des ostéoclastes. RANK-L (receptor activator of nuclear factor (NF)-kB ligand) est une protéine de 317 acides aminés liée à la membrane cellulaire. RANK-L est exprimé dans de nombreux tissus, en particulier par les cellules endothéliales et les lymphocytes T. Dans l’os, RANK-L est synthétisé par les cellules mésenchymateuses du stroma médullaire, par les ostéoblastes et les ostéoclastes. Les ostéoblastes matures expriment peu de RANK-L mais les cellules de stroma médullaire l’expriment en quantité importante. La principale action de RANK-L est de stimuler la différenciation des ostéoclastes, leur maturation et d’en inhiber l’apoptose. La différenciation des ostéoclastes par RANK-L ne peut se réaliser qu’en présence de M-CSF [31]. Cette activation des ostéoclastes a été mise en évidence avec des souris transgéniques déficientes dans le gêne de RANK-L qui ont présenté une ostéopétrose sévère et l’absence complète d’ostéoclastes. A l’inverse, après injection de RANK-L, des souris non transgéniques ont développé une ostéoporose importante [32]. Le récepteur de RANK-L est RANK auquel il se lie avec une forte affinité. RANK est une protéine transmembranaire qui appartient à la famille des récepteurs de TNF. Dans l’os l’expression de RANK est limitée aux ostéoclastes. Dans les autres tissus, RANK est exprimé surtout par les fibroblastes, les cellules dendritiques et les lymphocytes T et B. RANK est essentiel à la différenciation et à la survie des ostéoclastes [32,33]. L’ostéoprotégérine (OPG) est appelée aussi "récepteur leurre" : elle se lie à RANK-L et empêche son action. L’OPG appartient à la famille des récepteurs de TNF mais elle est sécrétée sous la forme d’une protéine soluble sans être liée à la membrane de la cellule [32,33,34]. L’OPG est sécrétée en grande quantité par de nombreux tissus et se retrouve circulante. Dans l’os, l’OPG est synthétisée par les cellules de la lignée ostéoblastique, la sécrétion d’OPG augmente d’autant plus que le degré de diffé- Médecine Nucléaire - renciation des cellules est élevé. Invitro, l’OPG inhibe la différenciation, la survie et la fusion des précurseurs des ostéoclastes ; elle inactive les ostéoclastes matures et accélère leur apoptose. In-vivo, des souris qui surexprime le gêne d’OPG développent une ostéopétrose sévère ; des souris déficientes en OPG par contre présentent une grave ostéoporose et une activité ostéoclastique accrue [32]. L’OPG et RANK-L ont donc des effets inverses sur l’ostéoclatogénèse. Toutes les hormones et les facteurs locaux qui agissent sur les ostéoclastes et sur leur activité de destruction de l’os ont une action sur le système RANK-L, RANK, OPG. La PTH augmente la résorption osseuse en se liant à son récepteur sur les cellules précurseurs ostéoblastiques du stroma médullaire. Elle inhibe la sécrétion de l’OPG et active l’expression de RANK-L [35]. La 1,25(OH)2D, à dose physiologique, inhibe la stimulation de l’expression de RANK-L par la PTH et donc augmente la formation osseuse. A dose élevée, supraphysiologique, la 1,25(OH)2D au contraire, augmente l’expression de RANK-L en présence de PTH et accélère la résorption osseuse [36]. Les cytokines inflammatoires, IL-1 et TNFa augmentent la destruction osseuse en stimulant la synthèse de M-CSF et de RANK-L par les précurseurs ostéoblastiques médullaires, ce qui renforce le nombre et l’activité des ostéoclastes [33]. Mais des études ont montrées l’effet inverse, la stimulation de l’expression de l’OPG par de IL-1 et TNFa [32]. L’expression de RANKL est stimulée également par IL-6 et les glucocorticoïdes. Le TGFb , les estrogènes et les BMPs augmentent l’expression de l’OPG [32]. L’expression du récepteur RANK par les ostéoclastes relativement stable, est stimulée par TGFb [32,33]. En résumé, RANK-L et l’OPG sont les clés du système agoniste – antagoniste qui régule tout le devenir des ostéoclastes : différenciation, fusion, activation, survie et apoptose. Les premiers rôles dans cette régulation semblent être tenus par les cellules préostéoblastiques du stroma médullaire puis par RANK-L. En effet, RANK-L exerce un rétrocontrôle négatif sur son expres- Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 I. Couret sion par les précurseurs ostéoblastiques médullaires et stimule la synthèse d’OPG [33]. CONCLUSION !Le remodelage osseux est gouverné par des processus complexes où interviennent des facteurs locaux et systémiques interdépendants et des lignées cellulaires en constants diffé- renciation et recrutement. C’est le développement de lignées cellulaires et de modèles animaux transgéniques qui ont permis de mieux comprendre la biologie du tissu osseux. Les cellules ostéoblastiques du stroma médullaire avec RANK-L, seraient les principaux responsables de l’orchestration du cycle de destruction et de formation de la matrice osseuse. Leur activité est régulées par de nombreux facteurs locaux et les hormones systémiques, mais aussi par des contacts de cellules-cellules et des contacts cellules-matrice extracellulaire [2,6]. La biologie du remodelage osseux est donc au centre d’un vaste réseau de contrôle de l’équilibre entre destruction et formation osseuse. Beaucoup de questions restent en suspens, pour l’heure. Les progrès dans la compréhension de ces processus permettront de mieux appréhender les mécanismes des pathologies osseuses et d’identifier de nouvelles cibles pour le développement de stratégies thérapeutiques. The human adult skeleton renews itself permanently, in the range of 10 percent per year, this takes place in basic multicellular units, where functions osteoclasts and osteoblasts . This bone remodeling, is necessary for the maintenance of the calcic homeostasis, for the conservation of the mechanical properties of the bones, and for the healing of fractures. The big steps of bone remodeling are characterized by the engagement, the proliferation and the differentiation of pluripotent cells. The osteoclasts come from hematopoietic cells of the monocytes/macrophages lineage, whose differentiation is dependant of committed preosteoblastic cells. They are multinucleated giant cells capable of destroying large quantities of the extra cellular bone matrix, and of dissolving its mineral sections. Osteoblasts come from multipotent stromal cells. The differentiated osteoblasts produce the extra cellular bone matrix and mineralize it. They are characterized by the synthesis of collagene type-I, non-collagenic proteins, local factors and by the expression of the bone alkaline phosphatase At the end of the formation period, part of the osteoblasts die by apoptosis, the other part of the osteoblasts become lining cells or osteocytes included in the bones. The equilibrium between destruction and formation of bone is regulated by a complex network of interactions between bone cells, systemic hormones (parathyroid hormone, vitamin D, calcitonin), and growth factors and cytokines of the local microenvironment. The system RANK-L, RANK, OPG, identified as the ultimate mediator controlling the osteoclasts, represents a major advance in the comprehension of the biology of bone remodeling. Bone remodeling / Ostéoclasts / Ostéoblasts / Systémiques hormones / Growth factors/ Cytokins / RANK-L, RANK, OPG Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 63 Biologie du remodelage osseux RÉFÉRENCES 1. Parfitt AM, Rauch F, Travers R, Glorieux F. Osteonal and hemiosteonal remodeling: the spatial and temporal framework for signal traffic in adult human bone. J Cell Biochem. 1994 ; 55: 273-286. 2. Manolagas SC. 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