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

Répartition du calcium dans l’organisme

Echanges du calcium 25mmole= 1gr/l

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

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

Source et métabolisme de la vitamine D

Vitamine D: multiples actions potentielles

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

Hormone parathyroidienne (PTH) Synthétisée dans les 4 glandes parathyroïdes Hormone polypeptidique 1-84. 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,

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

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

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

Action biologique de la parathormone

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

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

Récepteur du calcium

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

Régulation de la calcémie par la parathormone et la vitamine D

Régulation de la phosphorémie

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

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

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

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?

Les anomalies du métabolisme minéral sont une cause de vieillissement prématuré

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

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

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

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

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

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

ostéoblastes Deux gènes « clefs » Runx2 LRP5

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

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-/-

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

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

inactif actif Krishnan et al JCI 2006

Syndrome ostéoporose –pseudogliome (OPGG) Gong et coll., Cell, Nov 2001, 107: 513-523

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

Lrp -5 Low-density lipoprotein Receptor-related Protein 5 Données de clinique humaine Inactivation du gène Lrp-5 → syndrome ostéoporose pseudo-ganglial (maladie autosomique dominante) Mutation du gène Lrp-5 empéchant 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

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

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

Les marqeurs ostéocytaires

Viabilité et Apoptose des ostéocytes Mécano-senseurs Synthétisent NO et Prostaglandines Effet positif des contraintes mécaniques Glucocorticoïdes, hypoxie,ostéoporose carence en estrogénes→ apoptose ostéocytaire → fragilité squelette : absence de réparation des micro fractures Remodelage de la matrice autour de la lacune Régulateurs du métabolisme phosphocalcique (FGF23 et PTH-R)

Canalicules ostéocytaire et surface osseuse

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

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

inactif actif Krishnan et al JCI 2006

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

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

Ostéoblastes et facteurs de croissance et hormones : les récepteurs Récepteur pour facteurs de croissance  prolifération et différenciation ostéoblastique : IGF1, TGFb, BMP (commercialisée TT local), FGF Récepteur pour les hormones : parathormone, estrogènes

ostéoclastes

Ostéoclaste : résorption Compartiment de résorption matrice osseuse

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)

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

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

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

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

Différenciation ostéoclastique Provient d’une cellule hématopoïétique (transplantation de moelle dans les ostéopétroses) Lignée monocytaire Nécessite in vitro d ’être co-cultivée avec un ostéoblaste Autre cellule mésenchymateuse osseuse indispensable à la différenciation ostéoclastique

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

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

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

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

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

Tissu osseux Cortical Trabéculaire

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

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

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

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

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 (collagène, héparan sulfates) ou des protéines spécifiques (binding proteins)

Facteurs de Croissance et Os Sont régulés localement par les hormones ou par les forces mécaniques et agissent de façon locale Augmentent la prolifération et/ou la différenciation et des ostéoblastes Sont relargués de l’os lors de la résorption osseuse sous forme active

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

Remodellage osseux/communication cellulaire Activation du remodellage : Sécrétion par les ostéoblastes 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

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

Perte osseuse du vieillissement

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

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

Perte osseuse, ostéoporose Carence en Estrogènes (ménopause) Précurseurs ostéoclastiques C. stromale/Ostéoblaste  TGF-b  IGF-I RANK-L IL6 survie  Formation  Résorption Perte osseuse, ostéoporose

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

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

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

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)

Traitement par estrogènes et perte osseuse à la ménopause Rachis lombaire col du fémur Etude PEPI : 875 femmes âgées de 45 à 64 ans randomisées. JAMA 1996

Ostéolyse d’un cancer

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