Interactions entre les systèmes immunitaire et osseux Claudine Blin Abdelilah Wakkach Equipe "ostéoimmunologie, inflammation et immunosuppression" Nice, France

mesenchymal stem cell OSTEOBLAST hematopoietic stem cell OSTEOCLAST B cell DC T cell Origine des cellules osseuses

Interactions entre systèmes osseux et immunitaire HSC organes péripheriques = - differentiation terminale - maturation OBL OCL

Arron and Choi, Nature, 2000 : 'osteoimmunologie' = identifie les études portant sur les interactions entre les systèmes osseux, hématopoïétique et immunitaire Qu'est-ce que l'ostéoimmunologie ? pour permettre les interactions entre biologistes de l'os et immunologistes --> meilleure compréhension du développement et de la fonction des 2 systèmes Résorption osseuse excessive dans : maladies autoimmunes et inflammatoires (arthrite, maladie de Crohn, psoriasis …) cancer (métastases osseuses) infections chroniques (SIDA, hépatite…) --> réponse immune résorption osseuse

1ère partie : contrôle de l'ostéoclastogenèse par les cellules T activées 2ème partie : rôle des cellules dendritiques dans la résorption osseuse

cellules T et résorption osseuse Résorption osseuse excessive associée avec : - maladies autoimmunes et inflammatoires - cancer - infections chroniques --> cellules T suspectées de secréter des facteurs capables de contrôler le développement et l'activité des ostéoclastes

activation DC MHC-I lymphoid organs effector CD8+ T cell death other tissues CD8+ memory T cells bone marrow T cells CD4-CD8- thymocytes naive CD8+ T cytotoxic naive CD4+ T helper thymus CD4+ memory T cells activation DC MHC-II effector CD4+ T cells death activation of immune cells ?

Système RANK / RANK-L / OPG OPG cellules stromales, DCs, lymphocytes B et T OPG-/- = ostéoporose (  OCL) Tg-OPG = ostéopétrose (  OCL) inhibiteur de la liaison RANK-RANK-L RANK-L cellules stromales, OBLs, cellules T activées et mémoires Inducteu de la différenciation des OCL s KO = ostéopétrose RANK précurseurs d'OCLs, OCLs mature, DCs récepteur de RANK-L

From Kong et al., Nature 1997 RANK-L -/- wt La souris RANK-L-/- TRAP 1- phénotype osseux

From Kong et al., Nature 1997 Mesenteric lymph nodes RANK-L -/- wt La souris RANK-L-/- 2- phénotype immunitaire T cell activation wt RANK-L -/-

Activation des lymphocytes T signalisation DC Cellule T CD80/ CD86 CD28 Signal 1Signal 2 MHC-II TCR "naturelle""induite" Cellule T CD28 Signal 1Signal 2 TCR signalisation Concanavaline A anti CD3 anti CD28 PhytoHémagglutinine A

From Kong et al., Nature 1999 Expression de RANK-L par les cellules T activées in vitro RANK-L sécrété Immuno-précipitation activated T cells resting T cells Cytométrie en flux = RANK-L membranaire cellules T activatées inhibiteurs de la signalisation PKC PI3K RT-PCR RANK-L  -actin

From Kong et al., Nature 1999 Cellules T activées et ostéoclastogenèse in vitro Bone Marrow Cells M-CSF Surnageant de T CD4 + activées Bone Marrow Cells M-CSF T CD4 + exprimant mRANK-L

From Kong et al., Nature 1999 Cellules T activées et ostéoclastogenèse in vivo CTLA4 = régulateur de l'activation des cellules T CTLA4 KO = activation constitutive des cellules => baisse de la densité osseuse cellules T CTLA4 -/- Rag1 -/- Pas de cellules T perte osseuse  nombre OCL bloqué par OPG cellules T CD4+ CTLA4 -/- cellules T CD4+ CTLA4 +/+ Les CD4+ activées induisent une ostéolyse RANK-L dépendante

Cellules T activées et ostéoclastogenèse les cellules T CD4+ activés = impliqués dans la formation d'OCLs in vivo via RANK-L les cellules T CD4+ activées sont présentes tout au long de la vie la plupart du temps, sans association avec une perte osseuse --> existence d'1 mécanisme contrebalançant l'effet de RANK-L les cellules T CD4+ activées secrètent de nombreux autres facteurs modulants la formation d'OCL ---> analyse du role de l'IFN-  - destruction osseuse observée dans souris KO pour récepteur IFN- 

From Takayanagi et al., Nature 2000 Effet de l'IFN-  sur la formation des OCLs médiée par RANK-L Bone marrow cells + M-CSF + RANK-L Bone marrow cells + M-CSF + RANK-L +IFN-  Bone Marrow Cells +/+ ou IFN  R-/- M-CSF + RANK-L CD4+ activées ou naïves BMC = +/+BMC = IFN  R-/-

Sous-populations de cellules T PhD training course, Sept 2007, Oxford Cellules T activées Impliquées dans la perte osseuse liée à l'inflammation Induisent l'ostéoclastogenèse via RANK-L Inhibent l'ostéoclastogenèse via IFN-  et IL-4 --> effets dépendants de la balance entre les facteurs positifs et négatifs Caractéristiques d'une sous-population de cellules T CD4 + ostéoclastogéniques" Peu ou pas de production d'IFN-  et IL-4 secrétion de RANK-L Induction de la secrétion de RANK-L par les cellules stromales --> à ce jour 3 sous-population de cellules T CD4 + décrites

Sous-populations de cellules T CD4 + effectrices (activées) Th1 IL-12 IFN  TNF  RANK-L immunité cellulaire inflammation IL-4 IL-6 IL-13 RANK-L immunité humorale, allergie IL-17 IL-22 RANK-L inflammation Th17 TGF  +I L-6 Th2 IL-4 Cellules T CD4 + na ï ves Ce qui importe c'est le rapport de ces différentes populations

From Sato et al., JEM 2006 Effet des sous-populations de Th sur l'ostéoclatogenèse Bone Marrow Cells M-CSF + RANK-L Th1 ou Th2

From Sato et al., JEM 2006 cellules Th17 et ostéoclatogenèse L'effet des Th17 passe par la production d'IL17 qui stimule l'expression de RANK-L dans les ostéoblastes Bone Marrow Cells M-CSF + RANK-L Th1 ou Th17

From Sato et al., JEM 2006 IL-17 et ostéoclatogenèse +/+ IL-17-/- phénotype IL-17-/- --> pas de différence --> cellules Th17 induisent la formation d'OCLs en condition inflammatoire Destruction osseuse +/+IL-17-/- phénotype IL-17-/- après induction d'une inflammation par injection de LPS OCLs  Peu d'OCLs

Mécanisme de la perte osseuse inflammatoire IL-17 Inflammation TNF- , IL-1, … Th17 IFN-  IL-4 Th1Th2 OCL RANK C-FMS Pre- OCL ostéoblaste, cellule stromale M-CSF RANKL D'après Sato et al, JEM 2006 lyse osseuse inflammatoire

1ère partie : contrôle de l'ostéoclastogenèse par les cellules T activées 2ème partie : rôle des cellules dendritiques dans la résorption osseuse

ostéoblastes M-CSF, RANK-L Liens entre ostéoclastes et cellules dendritiques ?? monocyte DC OCL RANK-L lympho T

Cellules monocytaires monocyteDCostéoclaste CD11b+ Ly6C+ CD11c+ CD11b+/- Ly6C- CD11c+/- CD11b+/- Ly6C- Cellule multinucléée RôlePrécurseurPrésentation antigéniqueRésorption osseuse LocalisationSang, BMostissus Marqueurs

Ostéoclastes et cellules dendritiques >> + synovial fluid from AR patient M-CSF RANK-L OCL From Rivollier et al, Blood 2004 Human monocytes CD14 + GM-CSF IL-4 immature DCs In vitro generated DCs From Wakkach et al, Blood 2008 Mouse splenic DCs M-CSF RANK-L OCL Ex vivo sorted DCs

Différenciation in vitro de DCs en OCL From Wakkach et al, Blood M-CSF+ RANK-L without cytokine ---- M-CSF RANK-L TRAP+ cell / cm CD11c MHC-II Purified DCs from the spleen

In vivo model = oc/oc mouse - inactive OCLs - high expression of M-CSF and RANK-L DCs from +/+ mouse inactive OCLs oc/oc mouse Différenciation in vivo de DCs en OCL oc/oc + DCsoc/oc+/+ From Wakkach et al, Blood 2008

--> DCs differentiate into functional OCLs in vivo Différenciation in vitro de DCs en OCL From Wakkach et al, Blood /+oc/oc oc/oc + DCs 10µm +/+ oc/oc TRAP a3 10µm

Mécanisme controlant la différenciation des DCs en OCLs - Non détecté chez la souris saine - Détecté dans 1 modèle où RANK-L est augmenté - Rôle connu des CD4+ activés dans l'augmentation de RANK-L Les cellules CD4+ sont-elles nécessaires à la différenciation des DCs en OCLs ?

Importance des cellules T dans la différenciation des DCs en OCLs DCs from +/+ mouse + anti-CD4 oc/oc mouse From Wakkach et al, Blood 2008 Depletion of CD4+ Tcells --> necessity of CD4+ T cells oc/oc CD4-depleted oc/oc CD4 CD8 oc/ocCD4-depleted oc/oc

Implication des cellules T dans l'expression de RANK-L oc/oc /+ expression relative ARN oc/oc deplété CD4 P<0.01 Moelle osseuseCellules T CD /+oc/oc P<0.01 expression RANK-L cellules stromales +/+oc/oc P<0.01 expression RANK-L From Wakkach et al, Blood 2008

Phénotype des lymphos T CD4+ oc/oc Cellules T CD4 + impliquées dans l'inflammation : IFN- , TNF  IL-17, IL-22 Th1 Th17 22% 1% 3% 1% IFN  (Th1) IL-17 (Th17) Cellules T CD4 + de la moelle osseuse +/+oc/oc Forte proportion de cellules T CD4 + inflammatoires Th17 dans la moelle osseuse des souris oc/oc From Wakkach et al, Blood 2008

Effet des lymphos T CD4+ oc/oc Induisent une augmentation de la différenciation des OCLs in vitro Sans cellules Tcellules T +/+cellules T oc/oc sans+/+oc/oc Nbr TRAP+ multinucléés P<0.01 cellules T OBLs DCs T CD4+ Coculture :

Conclusion 2 Nécessité de lymphocytes T inflammatoires et forte expression de RANK-L --> voie de différenciation pathologique --> pourrait participer à l'ostéolyse inflammatoire DC OCL RANK-LM-CSF IL-17 T CD4 + Th i Lyse osseuse inflammatoire

Conclusions les cellules osseuses sont influencées par des cytokines exprimées par les cellules T CD4+ activées Les cellules immunitaires sont impliquées dans la différenciation des OCLs Axe RANKL-RANK-OPG = connection physiologique entre la réponse immune et le métabolisme osseux --> cellules T nécessite des conditions inflammatoires (Th17) DCs se différencient en OCLs = participatent à la résorption osseuse --> cellules dendritiques

Questions futures signification physiologique de la différenciation des DCs en OCLs ? Avec l'âge = apparition d'1 immunosénescence et d'ostéoporose --> sont-elles liées ? interactions réciproques : conséquences du métabolisme osseux sur la réponse immune ? Rôle des autres cellules lymphoïdes (CD8+ T cells, NK, B cells) dans la formation des OCLs ?