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Le cartilage
Hang-Korng Ea UMR 606 & Université Paris 7
Hôpital Lariboisière
Dia corvol 6
Plaque de croissance et formation osseuse
Cartilage de croissance et formation osseuse
• Ébauche cartilagineuse (d) • Formation du périchondre • Fronts d’ossifications etc…
Cartilage de croissance
Histo encore
BMP-2, PTH-rP FGF
ostéoblastes
adipocytes
chondrocytes
Cellules souches mésenchymateuses
Cbfa1 / runx2
PPARγ 2
myocytes
Développement du cartilage et ossification endochondrale
Chun 2008 BMB reports
Kozhemyakina 2015 Development
Régulation différenciation chondrocytaire
Régulation différenciation chondrocytaire
Kozhemyakina 2015 Development
Différenciation chondrocytaire
• Sox 9 : cofacteur sox 5 et 6 • Se lie sur le promoteur de Col II • Induit la condensation mésenchymateuse • Inhibe l’hypertrophie (inhibition de β-caténine, Runx2,
expression de col10, vegf)
Dysplasie campomélique Hypoplasie de tous les os Ambiguïté sexuelle chez les sujets XY Mort à la naissance par insu. resp
Kozhemyakina 2015 Development
Régulation de Sox9
Différenciation chondrocytaire : Sox5 and 6
Souris KO Sox5Sox6 mort in utero Souris KO Sox5 ou Sox6 : anomalie minime du squelette
Condensation mésenchymateuse normale
Pas de différenciation chondrocytaire
Plaque de croissance altérée : hypertrophie chondrocytaire précoce
Smitts, 2001
Différenciation chondrocytaire : Runx-2 et Runx-3
• Runt-domain family • Exprimé dans ostéoblastes, chondrocytes pré- et hypertrophiques
• Différenciation ostéoblastes
• Souris KO Runx-2 : • Pas de formation osseuse endochondrale ni intramembraneuse
• Inhibition de l’hypertrophie chondrocytaire Inada, 1999
Différenciation chondrocytaire : Runx-2 et Runx-3
• Induit directement l’expression de Ihh, Col10a, Vegfa, Mmp13
• Active Smad liés au BMP
• Redondance entre Runx2 et Runx3
Différenciation chondrocytaire : Mef2 et Mef3
• Myocyte enhancer factors
• Exprimés par chondrocytes pré- et hypertrophiques
• Délétion de Mef2 dans les chondrocytes: diminution de Runx2, retard de maturation hypertrophique
→ os courts
Arnold 2007 Dev Cell
Différenciation chondrocytaire : Mef2 et Mef3
Arnold 2007 Dev Cell
Arnold 2007 Dev Cell
Différenciation chondrocytaire : Mef2 et Mef3
Arnold 2007 Dev Cell
Différenciation chondrocytaire : HDAC4
• Histone deacetylase
• Exprimé par chondrocytes pré-hypertrophiques
• Délétion dans les chondrocytes: ossification prématuré, petite taille
• Hyperexpression dans chondrocytes: pas d’ossification = Runx2 KO
Vega 2004 Cell
Différenciation chondrocytaire : HDAC4
Différenciation chondrocytaire : HDAC4
Vega 2004 Cell
Cartilage et PTHrP
Sans récepteur fonctionnel PTH/PTHrP
Ossification endochondrale précoce
Hypoplasie osseuse
Karaplis 1994, Lanske 1996
Cartilage et PTHrP • Exprimé par chondrocytes immatures : zone de réserve (+++)
>>> début prolifération • Régule prolifération et différenciation hypertrophique
Activation → translocation nucléaire HDAC4 → inhibition Runx2, Mef2c → inhibition de l’hypertrophie
Cartilage et BMP
• Bone morphogenetic proteins = famille des TGF-β
• Rôle majeur dans formation osseuse et cartilagineuse
Ø Expression ectopique → formation cartilage Ø Inhibition → défaut de formation cartilage Ø Inhibition de Smad → chondrodysplasie
• Interactions avec Ihh, PTHrP, FGF…
• Stimule l’expression de Sox9, Sox5 et Sox6
Cartilage et Hedgehog
• Indian HH : Développement os endochondral
Récepteur Ihh : Patched-1 (Ptc-1) Liaison de Ptc-1 active Smoothened
Ihh sécrété par chondrocytes pré/hypertrophiques
Souris KO Ihh • Diminution de la prolifération des chondrocytes
• Augmentation des chondrocytes hypertrophiques • Absence d’ostéoblaste au périchondre
St Jacques 1999
Prolifération des chondrocytes : rôle des BMP et de Ihh
IHH sécrété par chondrocyte ZZ BMP sécrété par chondrocyte YY BMP et Hedgehoge augmentent tous deux la prolifération des chondrocytes D’une manière indépendante, Et n’ont pas d’effet direct sur leur différenciation en chondrocytes hypertrophiques
Hypertrophie chondrocytaire : rôle de Ihh et PTHrP
Hedgehog : sécrétion par chondrocytes hypertrophiques induit la sécrétion de PTHrP par les chondrocytes proliférant Dont les récepteurs sont sur les Chondrocytes préhyprtrophiques
PTHrP prévient la différenciation des chondrocytes préhypertrophiques en hypertrophiques
PTHrP =Parathyroid hormone related protein Ihh = Hedgehog
FGF et cartilage
• FGF : famille de facteurs de croissance (9) avec plusieurs récepteurs (5)
• Facteur accélérant la différenciation des chondrocytes dans le phénotype hypertrophique et diminuant leur prolifération.
• Mutation activatrice de FGF-R3 ⇨ maturation trop rapide de la plaque de croissance ⇨ nanisme avec membres courts = achondroplasie
Achondroplasie
Achondroplasie = nanisme le plus fréquent (prévalence= 4/1000)
Mutation activatrice dans le domaine trans-
membranaire du FGFR 3 : différenciation accélérée chondrocytes de la plaque de croissance
Achondroplasie
FGFs
Interaction of FGF, BMP and Ihh
Cartilage et CNP
• C-type natriuretic peptide
• Exprimé dans chondrocytes prolifératifs et pré-hypertrophiques comme son récepteur Npr2
WT
CNP KO
Ihh Col10a Col2a Chusho 2001 PNAS
Cartilage et CNP
• Hyperexpression dans chondrocytes de CNP ou traitement par CNP → « rescue » nanisme par hyperactivation de FGFR3
• CNP/Nrp2 → activation des voies c-GMP → inhibition Erk/MAPK (<FGF2-FGF18/FGFR3) et vise-versa
Yasoda 2003 Nat Med, 2009 Endocrinology Ozasa 2005 Bone
Interactions BMP, Ihh, FgF18, CNP, PTHrP
Kozhemyakina 2015 Development
Cartilage chez l’adulte
Le cartilage articulaire
Cartilage articulaire
Matrice extracellulaire Chondrocytes
• Avasculaire
• Non innervé, alymphatique
• 2-5% de cellules
• 95% de matrice extracellulaire
Zone superficielle Zone moyenne Zone profonde Tidemark Zone calcifiée Os sous-chondral
Cartilage articulaire
Matrice extracellulaire
• Collagène de type II, fibrillaire
• Protéoglycanes: agrécane
• Petites molécules non collagéniques
• Petites molécules riche en leucine: small leucin-rich protein (SLRP)
• Collagènes « mineurs »
Matrice cartilagineuse
• Collagène II : spécifique cartilage et vitrée, fibrillaire. 90-95% du réseau de collagène
• Collagène IX non fibrillaire associé au II
• Collagène X marqueur des chondrocytes hypertrophiques, minéralisation du cartilage
• Collagène VI adhésion des chondrocytes à la matrice
• Collagène XI initie la nucléation fibrillaire
→ Résistance au forces de tension et cisaillement
Matrice cartilagineuse
• Glycosaminoglycanes
forte charge négative ⇨ Na+ ⇨ grandes quantités d'eau conformation très étirée ⇨ volume considérable par rapport à la masse ⇨ résistance au forces de compression
Acide hyaluronique : non lié aux protéines, très long (25 000 disaccharides)
• Protéoglycanes du cartilage Agrécane : forme des agrégats de gros protéoglycanes, branché sur l’acide hyaluronique Décorine et biglycane très petits
Les Glycosaminoglycanes
Dudhia 2005 CMLS
Acide hyaluronique et agrécanes • Acide hyaluronique
• Agrécane
Agrécanes et résistance aux forces de compression
Kiani 2002 Cell Research
Matrice cartilagineuse III Les SLRP (Small leucin-rich proteins)
• 6 ou 10-11 LRR • 5 familles
Gpe I: décorine, biglycan, asporine Décorine et biglycan lient collagène II et VI, régulent formation du réseau
Gpe II: fibromoduline, lumican…
• Nombreuses fonctions cellulaires
Délétion de décorine et biglycan: anomalie des fibrilles
Délétion de la fibromoduline: arthrose
Matrice cartilagineuse III
• Protéines non collagèniques – Matrilines – Thrombospondines – Fibronectine – Tenascine – Matrix Gla protéine : empêche la
minéralisation – Elastine (cartilage élastique)
Décorine ++ ↓ Collagène II ↓ Agrécane ↑
Protéoglycane ↑
Zone superficielle Zone moyenne Zone profonde Tidemark Zone calcifiée Os sous-chondral
Orientation des fibres de collagènes
MEC et organisation du cartilage
Heinegard 2010 Nat Rev Rheum
Le cartilage articulaire
Remodelage du cartilage
• Chondrocytes responsables du renouvellement (synthèse + dégradation) de la matrice
• Dégradation : Protéases : métalloprotéases dont « agrécanases » et dérivés oxygénés
• Régulés par des facteurs locaux (cytokines et facteurs de croissance) sécrétés par les chondrocytes ou les cellules de voisinage (synoviocytes, cellules osseuses et inflammatoires)
Interaction os-cartilage
MMP-1-9-13, ADAMTS-4&-5…
IL-1 & -6 PGE2 IGF-1 TGF-β
?
Interaction os-cartilage
Fünck-Brentano 2011 Cytokine Growth Factor Rev
Kiani 2002 Cell Research
Sites de clivage de l’agrécane
Homéostasie du cartilage
IL1-‐Ra, sTNF-‐R IL4, IL10, IL13
IL-‐6 IL-‐8
IL1, TNFα, IL18
DÉGRADATION IGF, BMPs, TGFβ SYNTHÈSE
MMP-‐3, 13 ADAMTS-‐4 ADAMTS-‐5
Collagène II Protéoglycanes
BIOMECANIQUE CHONDROCYTAIRE
• Sensibilité des chondrocytes à la pression statique et cyclique : - Étirement, tension, pression, flux liquidien, déchirure • Conséquences :
- ouverture de canaux calciques - phosphorylations protéiques - expression génique et synthèse protéique
• Intégrines = MECANORECEPTEURS
Synthèse de protéases, cytokines, etc…
Stimulation extérieure et signalisation chondrocytaire
Stimulation mécanique
Loeser 2009 Osteoarthritis Cartilage
Vieillissement du cartilage
Forsyth 2005 J Gerontol Biol Sci
Vieillissement et réponse chondrocytaire
AGEs et arthrose
Advanced Glycation End-products
Verzijl 2003 Curr Opin Rheum Loeser et al.
DeGroot 1999 Arthritis Rheum
AGEs diminuent la synthèse des protéoglycanes
Verzijl 2002 Arthritis Rheum
AGEs augmentent la dureté du cartilage
Anderson 2010 Best Pract Res Clin Rheumatol
Vieillissement et arthrose
• Mechanic
• Cartilage calcification
Cartilage arthrosique
↑ Expression des protéases
IGF, BMPs, TGFβ SYNTHÈSE
IL1, TNFα, IL18 DÉGRADATION
Normal Arthrose
MODIFICATIONS QUANTITATIVES
NORMAL OA
MODIFICATIONS QUALITATIVES
• Dégradation de la matrice +++
• Synthèse d’une matrice de moindre qualité • Modification de l’état de différenciation des chondrocytes • Calcification de la matrice
• Perte cellulaire
Le cartilage arthrosique
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