Tissu osseux Physiologie : régulation de la calcémie et de la phosphorémie Biologie cellulaire du remodelage Application à la physiopathologie.

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1 Tissu osseux Physiologie : régulation de la calcémie et de la phosphorémie Biologie cellulaire du remodelage Application à la physiopathologie

2 Répartition du calcium dans l’organisme

3 Echanges du calcium 25mmole = 1gr

4 Les régulateurs de la calcémie
Hormone parathyroidienne Vitamine D Calcitonine Récepteur au calcium Récepteur de la parathormone

5 Vitamine D Source alimentaire et cutanée (hormone) Stéroïde .
Métabolite actif synthétisé par hydroxylation dans le foie (forme circulante) et le rein Récepteur = facteur de transcription (récepteur nucléaire), présent dans l’intestin ++ et dans de nombreuses cellules à un taux plus faible

6 Source et métabolisme de la vitamine D

7 Vitamine D: multiples actions potentielles

8 Action biologique de la Vitamine D
La forme circulante qui reflète les stocks de l’organisme est la 25(OH)D Action biologique est due à la 1,25 (OH)2 D3 qui a la meilleur affinité pour le récepteur. La 1a hydroxylase rénale est stimulée par PTH et hypocalcémie Augmentation de l’absorption intestinale du calcium +++ →↑ calcémie Augmentation de la différenciation des cellules osseuses et autres (cutanées, hématopoïétique) Diminue la transcription de l’hormone parathyroïdienne

9 Hormone parathyroidienne (PTH)
Synthétisée dans les 4 glandes parathyroïdes Hormone polypeptidique Seule la partie 1-34 est nécessaire à l’action biologique Agit sur un récepteur à 7 domaines trans-membranaire qui est exprimé dans le rein, les cellules osseuses,

10 Hormone parathyroidienne
1 10 H2N- Ser Val Glu Ile Gln Leu Met His Asn Gly Lys Arg Trp Asp Phe 20 30 40 50 70 60 80 - COOH

11 Activation du Recepteur de la PTH
extracelluar intracellular Cyclic AMP DAG, IP3 Cai++

12 Action biologique de la parathormone
Rein :  hydroxylation en 1 a vitamine D →  absorption intestinale du calcium :  réabsorption tubulaire du calcium → diminution calciurie Cellules osseuses  résorption osseuse Augmente la calcémie

13 Action biologique de la parathormone

14 Régulation des hormones par le taux de calcium sérique
Parathormone : synthése  lors de l’augmentation de la calcémie grâce à un récepteur du calcium Vitamine D : synthése  lors de la diminution de la calcémie (augmentation de l’hydroxylase rénale due à  PTH et ↓calcémie)

15 Régulation étroite de la sécrétion de parathormone par la calcémie
Récepteur du calcium exprimé par les cellules des glandes Parathyroides. du calcium extracellulaire →  synthése de parathormone

16 Récepteur du calcium

17 Rôle du récepteur au calcium
En l’absence de récepteur au calcium : hypercalcémie indépendante du taux de parathormone Activation constitutive du récepteur : hypocalcémie simulant une hypo-parathyroidie

18 Régulation de la calcémie par la parathormone et la vitamine D
Ca extracellulaire

19 Régulation de la phosphorémie

20 taux de FGF 23 et phosphatémie : ostéomalacie tumorale
Ablation d’une tumeur qui sécrète du FGF23

21 FGF 23 « phosphatonine » : circulant, ↓ la phosphoremie par son action rénale : ↓ la réabsorption rénale (↓ co transporteur du phosphore) ↓ absorption intestinale (↓ production de vitamine D active : 1-a hydroxylase rénale) Mutation activatrice ou tumeurs hypophosphatémiante → ↑ production de FGF23 et hypophosphatémie sévère Sécrété essentiellement par les ostéocytes

22 Action de FGF 23 FGF 23 se lie à plusieurs FGF-R mais ils nécessitent un co- facteur, Klotho, pour traduire le signal Klotho est exprimé dans le tubule rénale

23

24 Klotho et vieillissement
Souris invalidées pour Klotho Kuoro et al Nature 1997

25 FGF 23 et klotho Les souris invalidées pour FGF23 ont une phosphatémie ↑et une durée de vie ↓ identique aux souris invalidées pour Klotho Le vieillissement accéléré due à l’inhibition de Klotho est il du à l’hyperphosphatémie?

26 Les anomalies du métabolisme minéral sont une cause de vieillissement prématuré

27 L’ablation de la vitamine d active « sauve » le phénotype des souris FGF 23-/-
Razaque et al FASEB 2006

28 Le tissu osseux Les ostéoblastes et la matrice osseuse Les ostéocytes
Les ostéoclastes Le remodelage osseux et ses implications La perte osseuse du vieillissement

29 Nombreux facteurs de croissances
Matrice organique 95% : Collagène I 5% : Protéines non collagèniques : Ostéocalcine : spécifique ostéoblaste Dosable dans le sang Témoigne du nombre d’ostéoblastes Rôle des protéines non collagènique : adhésion des cellules osseuses à la matrice faciliter ou inhiber la minéralisation lier les facteurs de croissance Nombreux facteurs de croissances

30 Ostéogénése imparfaite, maladie des os de verre
Mutation dans un des deux gènes codant pour le collagène de type I

31 Matrice : Phase minérale
1.2 kg de calcium, 600 gr de phosphore ⇨ rôle de réservoir Majorité phosphate de calcium hydraté sous forme de cristal d’hydroxy-apatite. Ca 10 (PO4)6 (OH)2 Mécanisme de la minéralisation : apport de calcium et phosphore grâce à la phosphatase alcaline Rôle de protéines non collagèniques Phénomène actif sous la dépendance des ostéoblastes

32 Ostéoblaste : synthétise et minéralise la matrice
Os minéralisé ostéocyte Ostéoïde ostéoblastes Moelle hematopoiétique C. Stromale Pré-ostéoblaste

33 Ostéoblastes : différenciation
Cellule mésenchymateuse pluripotente Phosphatase alcaline Collagène I ostéocalcine Cellule ostéoprogénitrice Préostéoblastes Ostéoblastes Cellules bordantes Ostéocytes Apoptose

34 ostéoblastes Deux gènes « clefs » Runx2 LRP5

35 Cbfa1 / Runx2 PPAR 2 Sox 9 myocytes Myo D, MEF2 ostéoblastes
Cellules souches mésenchymateuses adipocytes Sox 9 chondrocytes

36 Rôle de Runx 2 dans la différenciation ostéoblastique
Délétion du gène chez la souris (pas Délétion du gène chez la souris : Arrêt de la différenciation ostéoblastique et absence de tissu ossifié (Cell 1997) sauvage Runx 2-/-

37 Runx2 : est exprimé par les cellules stromales, les précurseurs ostéoblastiques et les chondroblastes. son expression augmente avec la différenciation ostéoblastique. induit l’expression des gènes de la matrice extra-cellulaire. 1 collagène I ostéocalcine ostéopontine bone sialoprotéine TGF- Runx 2 OSE1 OSE2

38 ostéoblastes Deux gènes « clefs »
Runx2 : facteur de transcription indispensable à la différenciation LRP5 : co –récepteur de la voie wnt dont l’activation (en inhibant GSK) induit le passage de la b-caténine dans le noyau et l’augmentation de plusieurs gènes de prolifération dont ceux des ostéoblastes

39 inactif actif Krishnan et al JCI 2006

40 Syndrome ostéoporose –pseudogliome (OPPG)
Gong et coll., Cell, Nov 2001, 107:

41 Des mutations « activatrices » dans le gène de LRP5 sont responsables d’une masse osseuse élevée par augmentation de la formation osseuse Boyden et coll, NEJM, Mai 2002, 346: 1516

42 Lrp -5 Low-density lipoprotein Receptor-related Protein 5
Données de clinique humaine Inactivation du gène Lrp-5 → syndrome ostéoporose pseudogliome (maladie récessive ) Mutation du gène Lrp-5 empêchant sa liaison à son inhibiteur naturel Dkk → Syndrome de masse osseuse élevée dans une famille Données expérimentales Invalidation chez la souris : ostéoporose avec formation osseuse diminuées

43 LRP5 et formation osseuse
Signal intermittent jamais toujours normal Ostéoporose pas de liaison De wnt à lrp5 Osteosclérose Pas de liaison de lrp5 à Dkk

44 Le tissu osseux Les ostéoblastes et la matrice osseuse Les ostéocytes
Les ostéoclastes Le remodelage osseux et ses implications La perte osseuse du vieillissement

45 Ostéocytes Représentant 90% des cellules osseuses, emmurés dans le minéral et reliées par des canalicules Moyens d’étude : une lignée cellulaire MLO-Y4 et des souris invalidés pour certains gènes spécifiquement dans le ostéocytes Stade terminale de différenciation des ostéoblastes, marqueurs particuliers

46 Les marqeurs ostéocytaires

47 Viabilité et Apoptose des ostéocytes
Mécano-senseurs : Effet positif des contraintes mécaniques Régulateurs du métabolisme phosphocalcique (FGF23 et PTH-R) et du remodelage osseux (RANKL et sclérostine)

48 Canalicules ostéocytaire et surface osseuse

49 Les ostéocytes : cellules sécrétrices
FGF-23 Sclérostine RANK-L

50 Sclerostin and bone formation
Protein expressed only in bone Localized only in osteocytes inhibit bone formation Inhibit LRP5 Similar to protein that inhibits BMP

51 inactif actif Krishnan et al JCI 2006

52 Mutations inactivatrices de Sost
Homozygotes Phénotype : uniquement osseux ↑ masse osseuse Développement Pharmacologique d’inhibiteur pour le traitement de l’ostéoporose Heterozygotes

53 AMG 685: Anti-Sclerostin Monoclonal Antibody
Note: Partnership with UCB

54 Le tissu osseux Les ostéoblastes et la matrice osseuse Les ostéocytes
Les ostéoclastes Le remodelage osseux et ses implications La perte osseuse du vieillissement

55 ostéoclastes

56 Ostéoclaste : résorption
Compartiment de résorption matrice osseuse

57 Ostéoclastes Cellule très différenciée
Fonction de dégradation extracellulaire dans un compartiment entre la bordure plissé et l’os (lysosome secondaire) - Adhésion au tissu osseux - Acidification extracellulaire Sécrétion de protéases actives à PH acide (Cathepsine K)

58 la Resorption Osteoclastique
calcitonine HCO3- Na+ RANKL H+ + CAII H2O + CO2 -> H+ + HCO3- K+ RANK Cl- H+ Na+ Zone claire Lysosomes K+ aVb3 aVb3 RGD RGD Cathepsine K Cl- H+ matrice osseuse

59 Ostéopétrose : densité osseuse élevée due à déficit de résorption ostéoclastique Défaut de fonction ostéoclastique : ostéopétrose bénigne Défaut d’acidification Absence de canal chlore Défaut de synthèse de protéase : cathepsine K

60 Ostéopétrose humaine récessive maligne
Défaut de resorption ostéoclastique sévére Insuffisance médullaire Léthale Coccia et al NEJM 1979

61 Différenciation ostéoclastique
CFU- M Autres tissus Tissu osseux Macrophage phagocytose Ostéoclaste Résorption extracellulaire

62 Différenciation osteoclastiques
+ précurseur hématopoïétique + microenvirrnement ostéoblastes CFU-M ? Macrophage Ostéoclaste

63 ostéoclaste MCS-F Hormones et facteurs locaux  résorption
précurseur ostéoclastique ostéoclaste différenciation et fusion recepteur MCS-F (c-Fms) RANK OPG MCS-F RANK-L Hormones et facteurs locaux  résorption ostéoblaste et leur précurseurs Proc. Natl. Acad. Sci USA, 1998

64 Souris transgéniques RANK-/-
Li et al, PNAS 2000

65 Ostéoprotégérine chez l’homme : déficience et traitement
Ostéoporose sévère due à une mutation inactivatrice dans le gène de l’ostéoprotégérine : nbreux ostéoclastes Injection sous cutanée d’ostéoprotégérine ⇨ Augmentation de la masse osseuse

66 La balance OPG/RANK-L régule la résorption osseuse
IL-1b, TNF-a , IL-11 PGE2, PTH, 1,25(OH)2D3 TGF-b Estradiol - + RANK-L OPG Corticoides PGE2 TGF-b Différenciation et activité des ostéoclastes Hofbauer, JBMR, 2000

67 RANKL produit par les ostéocytes contribue à l’ostéoclastogénéses
Nakashima et al Nature Med 2011

68 Le tissu osseux Les ostéoblastes et la matrice osseuse Les ostéocytes
Les ostéoclastes Le remodelage osseux et ses implications La perte osseuse du vieillissement

69 Tissu osseux Cortical Trabéculaire

70 Le tissu osseux est formé de multiples « unités fonctionnelles »
Os trabéculaire Os cortical

71 Le remodellage d’une unité fonctionelle osseuse
dure environ 3 mois cellules bordantes pré-ostéoclastes ostéoclastes Pré-ostéoblastes ostéoblastes RESORPTION INVERSION FORMATION QUIESCENCE

72 Fréquence d’activation plus grande dans l’os trabéculaire que cortical
Os trabéculaire et cortical : activation différente des unités de remodelage Renouvellé Masse Surface chaque année trabéculaire 20% 80% 25% cortical 80% 20% 3% Tr Fréquence d’activation plus grande dans l’os trabéculaire que cortical → os trabéculaire = renouvellement plus important et plus réactif au changement de la balance

73 Activation du remodellage :
Remodellage osseux dépend de communications entre ostéoblastes et ostéoclastes Activation du remodellage : Sécrétion par les ostéoblastes/ostéocytes d’un facteur (RANK-L) induisant la différenciation des ostéoclastes Couplage formation / résorption : Libération de la matrice osseuse par les ostéoclastes de facteurs de croissance activant prolifération et différenciation ostéoblastique

74 Remodellage osseux/communication cellulaire
cellules bordantes = préostéoblastes QUIESCENCE ostéoblastes RANK-L pré-ostéoclastes FORMATION ostéoclastes Pré- ostéoblastes INVERSION RESORPTION ?

75 Facteurs de croissance et os
Ne sont pas spécifiques du tissu osseux : IGF-I, TGF-ß, FGFs, GM-CSF, TGF-ß,, BMPs, (bone morphogenic protein) Facteurs solubles produits localement par les ostéoblastes et inclus dans la matrice osseuse Maintiennent leur activité biologique par leur liaison à des protéines de support Augmentent la prolifération et/ou la différenciation et des ostéoblastes

76 Cellules précurseurs des ostéoblaste Précurseurs ostéoclastiques
Principales cytokines et facteurs de croissance impliqués dans le remodelage osseux CFU-M RANK-L M-CSF Cellules précurseurs des ostéoblaste TGFß activé IGF FGFb BMP Précurseurs ostéoclastiques Ostéoblastes Ostéoclaste TGFß latent, IGF, FGFb, BMP

77 Le tissu osseux Les ostéoblastes et la matrice osseuse Les ostéocytes
Les ostéoclastes Le remodelage osseux et ses implications La perte osseuse du vieillissement

78 Perte osseuse du vieillissement

79 Perte osseuse du vieillissement
Débute vers 50 ans et persiste au cours du vieillissement Est due à une résorption est plus importante que la formation (déséquilibre du remodelage) Les femmes ont un capital osseux plus bas et perdent plus que les hommes lors du vieillissement (50 vs 30% d’os trabéculaire) La perte osseuse n’est pas symptomatique

80 Physiopathologie de la perte osseuse du vieillissement
Facteurs endocriniens Hyperparathyroïdie secondaire Carence en estrogènes Diminution des stimulations mécaniques osseuses (ostéocytes) masse musculaire diminuée activité physique moindre Diminution de l’activité des ostéoblastes

81

82 absorption intestinale
apports exogènes et endogènes de vitamine D Vieillissement fonction rénale absorption intestinale du calcium taux de parathormone   Ménopause carence estrogènique balance négative perte osseuse ostéoporose cytokines, facteurs de croissance   Vieillissement

83 Communication inter cellulaire dans le tissu osseux : implications
Traitement par inhibiteurs de résorption Cercle vicieux des métastases osseuses

84 Pas de gain de masse osseuse continu
cellules bordantes = préostéoblastes QUIESCENCE ostéoblastes pré-ostéoclastes Médicament inhibant les ostéoclastes FORMATION ostéoclastes ostéoblastes INVERSION RESORPTION Pas de gain de masse osseuse continu Pas de renouvellement de la matrice

85 Evolution de la densité osseuse après utilisation d’un inhibiteur de la résorption osseuse durant 3 ans Contrôle Ris 5 mg 9 8 *# 7 *# n = 158 *# 6 *# 5 *# * p £ 0,05 vs. valeur initiale # p £ 0,05 vs. contrôle 4 Variation moyenne par rapport ‡ líinclusion (%) 3 * 2 * 1 n = 134 -1 6 12 18 24 30 36 Mois A 6 mois Ris 5 mg vs contrôle : 4% (p < 0,001) A 36 mois, Ris 5 mg vs contrôle : 6% (p < 0,001)

86 Ostéolyse d’un cancer

87 Cellule cancéreuses dans le tissu osseux : cercle vicieux
 Prolifération des cellules cancéreuses RANK-L cytokines   TGFß activé IGF FGFb BMP TGFß latent, IGF, FGFb, BMP