physiologie de la croissance : apport des modèles animaux

Physiologie de la croissance : apport des modèles animaux et des pathologies humaines

Yves Le BoucEquipe Inserm du Centre de recherche St-Antoine UMR-S. 938

Hôpital St-Antoine, Paris 12Explorations Fonctionnelles Endocriniennes /Biologie Moléculaire

Hôpital Trousseau, Paris 12

DIU Transition Endocrinologie et MétabolismePhysiologie et Pathologies de la Croissance

Hôpital trousseau

Croissance staturo-pondérale post natale

Facteurs Génétiques

Facteurs environnementaux en particulier Nutritionnels ++++PsychologiquesAbsence de pathologie intercurrente

Facteurs hormonaux en particulierAxe somatotropeAxe thyréotropeAxe gonadotropeInsuline

hypothalamus

Anté hypophyse?

Hypophysectomie = effets biologiques

HORMONE DE CROISSANCE HYPOPHYSAIRE (GH)

Mise en évidence de L’IGF I / Somatomédine chez l’animal

rats hypophysectomisésrat normal

+

GH

+

GH

sérumCellules cartilagineuses

Prolifération et différenciation cellulaires

Concept de SOMATOMEDINES (action indirecte)

SM --> IGF

(Daughaday et Salmon 1957)

Humbel RE and Rinderknecht E 1977-78

NSILA->IGF

300 000 Litres plasma

X X X

HYPOTHALAMUSHYPOTHALAMUSGHRHF + GHRHF + -- SRIFSRIF

HYPOPHYSE HYPOPHYSE GHGH

FOIEFOIEIGF I IGFBPIGF I IGFBP

CARTILAGECARTILAGE

Le Bouc. Med Clin Endoc Diab. 2006,21: 14-21

Régulation de l’axe somatotrope

(22 et 20 kDa)

ALS

3IGF I

IGF 1 rétrocontrôle

négatif

IGF1 périphérie

Le Bouc. Med Clin Endoc Diab. 2006,21: 14-21

Paramètres de l’axe somatotrope

1

IGF-1R

IGF2R M6PciR

IGFBP-1 à

-62

6

IGF-I IGF-II

4

ALS

Réponse cellulaire

3

++ +

IGF-I

IR

Insuline

5

Hormone de Croissance

Complexité

du Système des IGF

Le Bouc. Med Clin Endoc Diab. 2006,21: 14-21

Régulation de l’axe somatotrope

(22 et 20 kDa)

ALS

3IGF I

Hypo à l’Insuline (α)AA : Ornithine, ArginineGlucagon (α)

Clonidine (α)

β

bloquant

stress

Sommeil

IGF 1

GH

Études chez le rat --> Homme

Exploration Biologique de la GH

Limite GHD = 10ng/ml (20 μu/ml) -> obtenir un traitement GH

La valeur-seuil définissant le GHD est la même

quelque soit l’âge

et le stade

pubertaire du patient ??

Marin et al, 1994 J Clin Encocrinol Metab, 79 : 537-541

Variabilité de la réponse de la GH au test de stimulation en fonction du stade pubertaire

CROISSANCE STATURALE POST NATALE

MOYENNE

+ 2DS

+ 2DS140cm

120cm

100cm

50cm

Courbe de croissance staturale chez la fille

160cm

180cm

1

2

3 1 1ère année : 22 à 24 cm

2 4 à 9/10 ans : 5-6 cm/an

3 Puberté : 20 à 25 cm

Après la croissance fœtale

(50 cm en 9 mois)

3 périodes à VC différentes

Variabilité de la réponse de la GH au test de stimulation en fonction de l’âge

priming

Le Bouc. Med Clin Endoc Diab. 2006,21: 14-21

Régulation de l’axe somatotrope

(22 et 20 kDa)

Puberté et Croissance

Oestradiol

Testostérone

gonades

GH

Amplitude des pics (X 2 à 3)

IGF I

croissance et ossification croissance

00

100100

200200

300300

400400

500500

600600

700700

800800

900900

00 2020 4040 6060 8080 100100

Age Age (ann(annéées)es)

IGF

I sIG

F I s

éé riq

ue (

rique

( ngng

/ml)

/ml)

Variation dVariation d ’’ IGF I sIGF I séérique en fonction de lrique en fonction de l ’’âgeâge

pic de densité osseuse Theintz G.E et al 1992

Normes en fonction de l’âge

Concentrations sériques d’IGF-I

0

100

200

300

400

500

600

700

800

IGF

I (n

g/ml)

0 5 10 15 20 25 ans

Garçons : ±

2 DS

Filles : ±

2 DS

Normes en fonction de l’âge

Mauvais répondeurs

forts répondeurs

Marqueurs biologiques de surveillance du traitement par la GH chez l’enfant : IGF I

1

IGF1R

IGF2R M6PciR

IGFBP-1 à -6

26

IGF-IIGF-II

4 5

ALS

Réponse cellulaire

Hormone de Croissance

3

++ +

IGF-I

IGFBP3 levels

012345678

IGFB

P3 (mcg

/ml)

0 5 10 15 20years

Girls and Boys : ± 2 DS

Acid-Labil Subunit of IGFBP3 (RIA)

Baxter RC (J Clin Endocrinol Metab 1990;70:1347-1353)

Aide aux diagnostics difficiles, à la surveillance du traitement

Les faits divers de la semaine du 3 novembre –2008 sur le Net L’homme le plus grand du monde

Le Chinois de 57 ans, Bao Xishun, a retrouvé son titre d’homme le plus grand du monde. Mesurant 2,57 m et chaussant du 56

IGFBP3 Sérique

Témoins Évolutifs GuérisAcromégales

5

3

4

6

7

8IG

FBP

3 (µ

g/m

l)

Acromégalie

ALS

μg/

ml

ALS

Acromégalie Sujets témoins GHDO

1 2 3 4

50

100

25GH

IGF-BPIGF I

ALS

Axe Somatotrope : IGF I, IGFBP3, ALS

2030

Baxter RC (J Clin Endocrinol Metab 1990;70:1347-1353)

Aide aux diagnostics difficiles, à la surveillance du traitement

Données personnelles

Le Bouc. Med Clin Endoc Diab. 2006,21: 14-21

Régulation de l’axe somatotrope

(22 et 20 kDa)

IGF et Nutrition

Dénutrition = Piège

Expérience de diète chez l’animal ou chez l’homme

Stat 5b

Récepteur GH

Déficits secondaires / primaires en IGF I

S. De Laron

pygmees

Caniches de Eugen Eigenman

[IGF 1] en fonction des types génétiques de caniches

DeChiara T.M : Nature, 1990 Inactivation (KO) d’IGF IICroissance fœtale (60%)

DeChiara T.M : Cell, 1991 Allèle paternel: expression Allèle maternel: empreinte

EFSTRATIADIS.A

Empreinte parentale différentielle

100% 60%

type sauvage simples mutants

IGF-IIp-/-

Inactivation des gènes du système des IGF chez la souris

neonatal hypoglycaemiafacial naevus

hemihyperplasia

macroglossiamacrosomia

95%88%

------

abdominal wall

defect --- 80%organomegaly --- 60%

ear

abnormalities --- 50%------

35% 30%30%---

BECKWITH-WIEDEMANN SYNDROME

tumour

---

10%Ch.Gicquel, S.Rossignol, H.Schneid, S.Cabrol, Y.Le Bouc

100% 60%

type sauvage simples mutants

60%IGF-I-/-

IGF-IIp-/-

Inactivation des gènes du système des IGF chez la souris

KO du gène IGF I / WT

K.WOODS

NEJM, 1996

IGF I gene

deletion

GH : elevated

IGF I : undetectable

IGFBP3, ALS, IGF II : Normal

IGF I Generation test

Ret Stat

PC

Surdité

R Psych

Puberté

100%

60%

60%

45%

type sauvage

simples mutants

IGF-I-/-

IGF1R-/-

IGF-IIp-/-

Baker.J, Cell (1993), Liu.JP, Cell (1993)

Importance du système IGF pendant la vie foetale

Croissance Fœtale

hom KOhet KOWT

KO classique du récepteur IGF type 1

• retard de croissance intra-utérin• naissance avec 50% du poids normal• létal pour le nouveau né• insuffisance respiratoire

Endocrinology 2000, 141:2557-2566 Endocrinology 2001, 142:4469-4478

100%

60%

60%

45%45%

type sauvage simples mutants mutants conditionnelsspécifiques du tissuspécifiques du dévelptdosages d’inactivation

IGF-I-/-

IGF1R-/-

IGF-IIp-/-

létal à la naissance

naissance puberté tissu adipeux vieillissement

AL’allèle knock-down d’IGF-1R entraîne un retard de croissance postnatal

B

3 4 5 6 7 8 9

WTHetHomWTHetHom

0

5

10

15

20

25

30 }}

age [weeks]

weight [g]

Hm vs. WT :

Ht vs. WT :

P<0.05 P <0.01 P <0.01 P <0.005 P <0.002

n.s. P <0.02 P <0.05 P <0.005 P <0.005

0

1

2

3

4

5

6

7

3 5 764

WT

HomWTHom

growth velocity[g/week]

age [weeks]

Holzenberger M, Le Bouc Y; Endocrinology 2000, 141:2557-2566

Tissu adipeux in situ chez la souris avec forte inactivation d’IGF-1R

XL

XS

XL

XS XS

TA

TA

mâle femelle

10 mm

10 mm 200 µm

Holzenberger M, Le Bouc Y; Endocrinology 2001, 142:4469-4478

Female lifespan is significantly increased

100

IGF-1R+/+

IGF-1R+/-

6 12 18 24 30 360

40

60

80

20

0

Frac

tion

aliv

e [%

]IGF-1R+/- mutants live 26% longer than wild type littermates (P < 0.02)

Age [months]

+33%P < 0.001

(Holzenberger M; Le Bouc Y; Nature 9 janvier 2003)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 30 60 90 120

glycémie [mg dl-1]

Délai après injection de glucose [min]

Tolérance réduite chez les mâles IGF-1R+/-

*

-16%, P < 0.05+/-+/+

***

**

***

+/++/-

+50%P < 0.001

Test de tolérance au glucose

Holzenberger et al 2000, 2001, 2003

KO

tissus ciblessang : WT 180 ng/mlKO = 50

AlbCre/loxP IGF-I

GHR Foie

IGF-I

IGF-IRGHR

GHR

IGF-IR

KO IGF-I foie

GHGH

IGF I xx

x

Conclusion des invalidations conditionnelles (Foie) Yakar.S et al : PNAS 1999 / Sjögren.K et al : PNAS 1999.

IGF endocrine +++ pour le rétrocontrôle le métabolisme et pour l’os

Métabolisme : insulino résistance

MUSCLE

The brainIGF1RKO+/- mice

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ControlbIGF1RKOControlbIGF1RKO

Males

Females

Bod

y w

eigh

t (g)

Age (days)

Growth curveThe bIGF1RKO+/- mice

Kappeler et al Plos Biology 2008.

Age (d)

ng.m

l-1

***** ***

0

250

500

750

1000

0 20 40 60 80 100

bIGF1RKO+/-

Control

IGF-Iµg

/ pit

Age (d)

**

****

0

5

10

15

20

0 20 40 60 80 100

bIGF1RKO+/-

Control

GH pituitary contents

a.u.

0

100

200

300 *

GHRH

KO+/- Control

Persistent modifications of growth parameters

(M.Holzenberger)

Nutritional markers at 10 days of ageduring mother’s milk feeding period

(ng/

ml)

0

10

20

30 ***

*

Leptin

(mg/

dl)

0

100

200

300

******

Glycaemia

(ng/

ml)

0.00

0.10

0.20

0.30 ***

*

Insulin

Restric

tedNorm

alOve

r-fed

Restric

tedNorm

alOve

r-fed

Restric

tedNorm

alOve

r-fed

Birth

16th days1st day

Normal RegimenAltered Regimen

10th days

Kappeler et al. Endocrinology 2008

…20th days ….3 months ……

Birth

16th days1st day

Normal dietAltered diet

10th days …20th days ….3 months ……12…. months

Kappeler et al. Endocrinology 2008

Persistent modifications of growth parametersin 3 month-old mice

Bod

y w

eigh

t (g)

Standard chow ad libitum

Mother’smilk

Age (d)0

10

20

30

0 5010 20 30 40

Over-fedNormalRestricted

IGF-I, ALS, GH, GHRH : decreased at 10, 20 d and 3 months

Systolic and diastolic blood pressure were elevated (12 months)

90

100

110

120

(mm

Hg)

***

Syst

olic

Restri

cted

Normal

Over-fe

d

Glucose tolerance test (12 months) :hyperglycemia and decreased insulinemia

(mg/

dl)

Normal

Restricted* **

050

150

250

350

Time (min)0 20 40 60 80 100 120

Gly

cem

ia

Early Post-natal Caloric Restriction (control mice)

KO

60%Conclusion :

- modèles :physiopathologie, gènes

- phénotype

- GH /IGF1 à la puberté puis après…

- IGF 1 sérique : Os et Métabolisme

- programme fœtal adaptatif et pathologies adultes