UE11- Appareil Locomoteur Biologie Cellulaire

Pr Hang-Korng Ea

Le 24/01/2020 à 15h30

Ronéotypeur : Ombline de Buttet et Chloé Vilain

Ronéoficheur : Ombline de Buttet et Chloé Vilain

Cours 3

Biologie cellulaire et moléculaire du cartilage

Le professeur a accepté de relire la ronéo.

MEC = matrice extra cellulaire, AGE = produits de glycation avancés, PG= protéoglycane

CR = Cartilage de croissance, AR= Cartilage articulaire, HyperT = hypertrophique

Sommaire

I- Introduction

II- Le cartilage de croissance

1) Organisation du cartilage de croissance

2) Déroulement de l’ossification endochondrale

3) Les signaux de l’ossification endochondrale

4) Schéma bilan +++

III- Cartilage chez l’adulte

1) Organisation du cartilage

2) Cartilage articulaire

3) Matrice extracellulaire

4) Remodelage

5) Homéostasie du cartilage

6) Biomécanique

7) Vieillissement et maladie arthrosique

I- Introduction

Le cartilage est un tissu conjonctif composé de chondrocytes (= cellule cartilagineuse). Le corps humain est composé de deux types de cartilage qui ont des propriétés et surtout fonctions bien différentes. On distingue ainsi, le cartilage de croissance (CR) du cartilage articulaire (AR).

Le CR assure la croissance osseuse des os longs. Il a une durée de vie transitoire et disparaît progressivement à la fin de la puberté chez l’Homme (chez d’autres espèces comme les rats il ne disparait pas). Au niveau du CR, les chondrocytes subissent une différenciation terminale en chondrocytes hypertrophiques et meurent (par apoptose) afin de permettre la croissance osseuse (partie II). On observe en parallèle de ce phénomène, toujours dans le CR, une minéralisation de la matrice extracellulaire. L’ossification est un phénomène régulé de façon fine.

L’AR supporte les forces biomécaniques de compression qui s’applique sur les os (du fait de notre poids, de la pesanteur etc.) et évite les frottements entre les structures osseuses au sein d’une articulation. Il se maintient toute la vie mais peut être altéré (l’arthrose en est l’exemple). Les chondrocytes de l’AR eux ne subissent pas de différenciation terminale.

[Rappel] L’ossification est l’ensemble des mécanismes qui permettent la formation de l’os à partir d’un tissu initial.

Il existe deux types d’ossification qui dépendent de la taille/forme de l’os  :

· Pour les os longs, l’ossification endochondrale, l’os se forme alors à partir d’une matrice cartilagineuse. Cette ossification est régulée de façon très spécifique par des facteurs de croissance, cytokines et facteurs de transcription …

· Pour les os plats (en particulier ceux du crâne), l’ossification intramembraneuse. C’est une ossification directe dans laquelle les cellules mésenchymateuses forment directement une matrice osseuse. On NE passe PAS par la formation de CARTILAGE.

II- Le cartilage de croissance

1) Organisation du cartilage de croissance

Le cartilage de croissance (aussi dit de conjugaison) est situé entre l’épiphyse et la métaphyse des os longs. Il sert de tuteur à l’ossification endochondrale puisqu’il est remplacé par du tissu osseux ce qui permet la croissance en longueur des os longs. Il compose la plaque de croissance et suit une organisation très particulière.

Plaque de croissance = zone d’ossification endochondrale = CR + zone « néo osseuse » ou zone de cartilage calcifiée.

En effet, proche de l’épiphyse on observe une couche dite de repos où les chondrocytes n’ont pas d’activité particulière.

Puis en s’éloignant un peu plus de l’épiphyse les chondrocytes de repos perçoivent des signaux de prolifération (cytokines etc.) ce qui aboutit à la formation d’une couche dite proliférative dans laquelle les chondrocytes prolifèrent selon une orientation particulière à savoir en colonne. Les chondrocytes ne se divisent pas dans n’importe quel sens !!

Enfin une couche hypertrophique ou les chondrocytes se différencient en chondrocytes hypertrophiques (= Gros chondrocytes) qui se préparent à l’apoptose.

2) Déroulement de l’ossification endochondrale

L’ossification endochondrale est un phénomène particulièrement régulé (+++) qui suit différentes étapes. Chacune de ces étapes possède des marqueurs spécifiques et est induite par des cytokines, facteurs de croissance ou de transcription.

Il faut connaitre ces signaux et leurs propriété. Par soucis de clarté, cette partie ne fera que mentionner les étapes où entre en jeu ces signaux. La partie 3 résumera toutes les propriétés des signaux sous forme de tableau. La partie 4 sera un schéma Bilan.

· Facteurs induisant la condensation mésenchymateuse SOX9 + BMP

· ETAPE 1 : Condensation de cellules mésenchymateuses et prolifération de ces dernières + Différenciation des cellules mésenchymateuses en progéniteurs chondrocytaires

Les cellules mésenchymateuses peuvent donner de nombreux types cellulaires (adipocytes/ chondrocytes etc.) en fonction des signaux auxquels elles sont soumises. Ici elles donneront des cellules cartilagineuses.

Marqueurs : Elles sécrètent du Collagène I et IIA

Facteurs activant la prolifération des chondrocytes :

SOX9 + cofacteurs SOX5 et SOX6

BMP (stimule SOX9)

IHH qui active PTH et PTHrP

· ETAPE 2 : Différenciation en chondrocytes et prolifération des chondrocytes.

Marqueurs : Sécrétion de Collagène de type IIB, IX et XI + Agrécane

Facteurs activant l’hypertrophie :

Runx-2 et Runx-3

Mef2 et Mef3

FGF

Facteurs inhibants l’hypertrophie :

SOX9/5/6

HDAC4

PTH et PTH-rp

· ETAPE 3 : Maturation des chondrocytes et différenciation en chondrocytes hypertrophiques.

Marqueurs : Les chondrocytes hypertrophiques sont les seuls à sécréter du collagène de type X et la MMP-13 (métalloprotéase 13). Sécrètent aussi VEGF.

Facteurs inhibant l’ossification :

HDAC4

Facteurs activant l’ossification :

Runx-2 et Runx-3

· ETAPE 4 : Apoptose des chondrocytes hypertrophiques + Invasion vasculaire + ossification

Les chondrocytes hypertrophiques meurent (apoptose) et libèrent différents facteurs dont du VEGF qui induit la formation de nouveaux vaisseaux (néovascularisation). Ce facteur recrute également des cellules hématopoïétiques, dont les macrophages qui vont alors détruire la matrice cartilagineuse. En parallèle de cette destruction, la néovascularisation induite par le VEGF permet d’apporter également des cellules mésenchymateuses qui vont envahirent le site et se différencier en ostéoblastes, ce qui va leur permettre de synthétiser de la matrice osseuse (phase de minéralisation).

3) Les signaux de l’ossification endochondrale

Nom du signal

Expression / Sécrétion par

Effet

En cas de KO chez la souris

Ou non expression

Infos supplémentaires

SOX9

Se lie sur le promoteur du Collagène II avec ses cofacteurs.

Il induit la condensation mésenchymateuse.

Il inhibe différenciation en chondrocytes hypertrophiques en inhibant Runx2, la β-caténine, le collagène X et VEGF.

-Dysplasie campomélique

-Hypoplasie de tous les os

-Ambiguïté sexuelle chez les sujets XY

-Mort à la naissance par insuffisance respiratoire (IResp)

Cofacteurs SOX5 et SOX6 +++

Il subit une régulation complexe.

SOX5 ET 6

Permet la condensation mésenchymateuse normale et surtout la prolifération chondrocytaire. Comme SOX9 ils inhibent la différenciation en chondrocytes hypertrophiques

KO SOX5 ou SOX6 Anomalie minime du squelette

- KO des deux : mort in utéro

Etudes chez la souris valables chez l’Homme.

- Si non expression > plaque de croissance lésée avec une hypertrophie chondrocytaire précoce du fait de l’absence de rétrocontrôle du complexe SOX9/5/6 sur Runx2

Ils ont une fonction redondante cad. Que si on a un KO de l’un OU de l’autre on perçoit une anomalie minime, si on a un KO des deux > mort in utéro

Runx2

Runx3

Exprimé dans les ostéoblastes chondrocytes pré- et hypertrophiques.

Nom : Runt domaine family

- Permet la différenciation des cellules mésenchymateuse en ostéoblastes et donc l’ossification +++

- Induit directement l’expression de Ihh, du collagène Xa du VEGF et de MMP13

En gros permet les étapes 3 et 4

En cas de KO

-Pas de formation osseuse endochondrale ni intramembraneuse

-Inhibition de l’hypertrophie chondrocytaire

Redondance entre Runx2 et Runx3 (ont la même fonction)

Mef2

Mef3

Exprimé dans les chondrocytes pré- et hypertrophiques

= myocyte enhancer factor.

Induit l’hypertrophie et la vascularisation (étape 3 et 4)

Délétion de Mef2 dans les chondrocytes > Diminution de Runx2 retard de maturation hypertrophique > os court

HDAC

4

Exprimé par les chondrocytes pré et hypertrophiques

HDAC4 inhibe l’ossification en inhibant Runx2

Si délétion dans les chondrocytes > ossification prématurée sans croissance du CR > petite taille

/ ! Si hyperexpression dans les chondrocytes > pas d’ossification ce qui équivaut à un Runx2 KO

PTHrP et PTH

Exprimé par les chondrocytes immatures dans la zone de réserve (+++)

Intervient dans le début de la prolifération qu’elle active . Régule également la différenciation en chondrocyte HyperT qu’elle inhibe en inhibant Mef2 et Runx2.

La PTHrP est activé par Ihh qu’elle rétrocontrôle négativement

En cas d’absence de récepteur fonctionnel PTH/PTHrP (suite à̀ une mutation par exemple), on observe une hypoplasie osseuse et une ossification endochondrale précoce.

Son récepteur est un RCPG à 7 TM, qui active la voie de l’AMPc et la PKA, qui active alors une phosphatase ce qui induit une déphosphorylation de HDAC4, qui transloque alors dans le noyau. HDAC4 va inhiber l’action de Mef2 (et de Runx2) en se fixant sur leur promoteur et diminuer la différenciation hypertrophique

BMP

Sécrété par les chondrocytes YY

= Bone morphogenetic protein (famille des TGF-β)

!! Rôle majeur dans la formation osseuse et cartilagineuse

- S’il est injecté dans une zone ectopique > formation de cartilage

- Il stimule SOX9/5/6 et la voie de Smad > induit la prolifération chondrocytaire

- Interagit avec IHH, PTHrp FGF +++

En cas d’inhibition > défaut de formation du cartilage

Inhibition de Smad > Chondrodysplasie

Smad = voie de signalisation intracellulaire propre à la famille des

TGF-β (à titre indicatif)

IHH

Sécrété par les Chondrocytes ZZ pré ou hypertrophiques

= Indian Hedgehog

Induit la prolifération des chondrocytes (comme BMP)

Pas d’effet direct sur leur différenciation en chondrocytes HyperT.

IHH est également sécrété par les chondrocytes HyperT et induit la sécrétion de PTHrP par les chondrocytes proliférants. (cf. Partie 4)

Souris KO :

- Diminution de la prolifération des chondrocytes

- Augmentation des chondrocytes hypertrophiques

- Absence d’ostéoblastes au niveau du périchondre

Son récepteur est nommé Patched-1 (ptc-1).

La liaison entre Ihh et Ptc-1 active la protéine Smoothened

FGF

Famille de 9 facteurs de croissances avec plusieurs récepteurs (5)

Facteurs accélérant la différenciation des chondrocytes en chondrocytes HyperT.

Diminue la prolifération chondrocytaire

Mutation activatrice de FGF-R3 (récepteur) induit une maturation trop rapide de la plaque de croissance ce qui équivaut à une différenciation accélérée des chondrocytes en chondrocytes HyperT > nanisme avec des membres courts = achondroplasie.

L’achondroplasie est le nanisme le + fréquent (prévalence = 4/1000 soit 1/250)

CNP

Exprimé par les chondrocytes prolifératifs et pré hypertrophiques de même que son récepteur

= C-type natriuretic peptide

Active la prolifération.

Une hyperexpression de CNP peut correspondre à̀ un « traitement » du nanisme achondroplasique par l’inhibition de l’hyperactivation de FGFR3.

Si CNP délété : nanisme avec au niveau microscopique les couches proliférante et HyperT qui sont beaucoup plus petites

Récepteur = Npr2

La liaison CNP-Npr2 active la voie de la GMP cyclique et induit une inhibition de la voie Erk/MAPK (voie mitogène)

4) Schéma Bilan +++

Rq : l’action combinée de BMP et IHH permet la prolifération des chondrocytes de manière indépendante, mais n’ont pas d’effet direct sur la différenciation en chondrocytes hypertrophiques.

Particularité du rétrocontrôle IHH/PTHrP +++

C’est une rétrocontrôle dit spatial. En effet, IHH est sécrété par les chondrocytes hypertrophiques et induit la sécrétion de PTHrP par les chondrocytes proliférants -dont les récepteurs sont sur les chondrocytes pré- hypertrophiques-. Le rôle de la PTHrP est d’empêcher la différenciation précoce des chondrocytes pré- hypertrophiques en chondrocytes hypertrophiques. Ainsi plus les cellules se divisent plus elles s’éloignent de la phase proliférante, et moins elles sont sous l’action de la PTHrP (qui inhibe leur différenciation) et plus elles sont susceptibles de recevoir et intégrer des signaux de différenciation.

Tableau récapitulatif ;

Activateurs de la prolifération

Activateurs de la différenciation hypertrophique

(= chondrocytes > chondrocytes hypertrophiques)

BMP

CNP lié à son récepteur Npr2

IHH

PTHrP ou PTH

HDAC4

SOX9 + cofacteur SOX5 et 6

FGF18 lié à son récepteur FGF-R3

Mef2 et Mef3

RunX2 et Runx3

III- Cartilage chez l’adulte

1) Organisation du cartilage

Chez l’homme, on peut observer trois types de cartilages :

· Elastique (pavillon de l’oreille, trompe d’Eustache, épiglotte, cartilages du larynx)

· Hyalin (cartilage du nez, des voies respiratoire supérieures, costaux, articulaires)

· Fibreux (disques intervertébraux, symphyse pubienne, ménisque du genou, insertion tendon d’Achille), plus dur que les autres cartilages, il protège le cartilage articulaire de la dégradation.

2) Cartilage articulaire

C’est un type de cartilage spécifique : il est avasculaire (on ne sait pas pourquoi la vascularisation de l’os ne s’étend pas au cartilage, on suppose que le chondrocyte sécrète des inhibiteurs de l’angiogenèse), non innervé, alymphatique, composé d’un seul type cellulaire : le chondrocyte (2-5% du tissu).

Celui-ci sécrète une matrice très riche (95% du tissu), composée majoritairement de collagène de type 2, de protéoglycanes et de nombreuses autres protéines.

Il est en organisé en différentes couches :

· une couche non calcifiée composée des zones superficielles, moyennes et profondes séparée de la zone calcifiée par la tidemark ou front de calcification.

· une couche calcifiée en lien direct avec l’os en dessous appelé os sous chondral

Le cartilage articulaire est similaire à une plaque d’ossification, avec des chondrocytes peu proliférant au niveau de la zone non calcifiée et des chondrocytes hypertrophiques au niveau de la zone calcifiée.

3) Matrice extracellulaire

La matrice cartilagineuse est abondante, très hydratée. Elle est composée :

· de collagène de type II : spécifique du cartilage mais est aussi présent dans l’humeur vitrée, fibrillaire, il représente 90-95% du réseau de collagène.

· de collagènes « mineurs » : V, VI (adhésion des chondrocytes à la matrice), IX (non fibrillaire et associé au II), X (marqueur des chondrocytes hypertrophiques responsables de la minéralisation du cartilage), XI (initie la nucléation fibrillaire). Tous les collagènes ont un rôle de résistance aux forces de tension et au cisaillement.

· de glycosaminoglycanes : ces molécules sont des disaccharides associés de manière linéaire. Ils ont une forte charge négative ce qui piège les cations tels que Na+ dans les tissus. Cela augmente la pression osmotique dans le tissu et attire de grandes quantités d’eau et permet une résistance aux forces de compression. L’acide hyaluronique notamment est un GAG non lié aux protéines, très long (25000 disaccharides).

· de protéoglycanes composés de protéines associées à des GAG. L’agrécane, composée de trois domaines globulaires (G1, G2, G3) qui forme des agrégats de gros protéoglycanes branchés sur l’acide hyaluronique par leur domaine G1 formant une liaison très solide, comme une liaison covalente. Ces agrégats sont piégés dans les réseaux collagéniques ce qui permet une forte hydratation du tissu. La décorine et le biglycane très petits.

· de petites molécules non collagéniques : matrilines, thrombospondines, fibronectine, tenascine, Matrix Gla protéine : empêche la minéralisation, celle-ci augmente au cours de l’âge (KO de matrix gla protéine : mort des modèles murins par calcification des vaisseaux), élastine (cartilage élastique)

· de petites molécules riches en leucines : small leucin rich protein (SLRP).

· Il existe 6 ou 10-11 LRR.

· 5 familles Groupe I: décorine, biglycan, asporine. Décorine et biglycan lient collagène II et VI et régulent la formation du réseau

· Groupe II: fibromoduline, lumican… Nombreuses fonctions cellulaires. En cas de délétion de décorine et biglycan: anomalie des fibrilles. En cas de délétion de la fibromoduline: arthrose.

La matrice est organisée de telle sorte à résister aux forces de compression et de cisaillement. Elle résiste à la compression par son hydratation ainsi que par la disposition perpendiculaire du collagène de la zone moyenne et au cisaillement par un agencement spécifique du collagène de la zone superficielle parallèle à l’articulation. (cf schéma ci-dessus)

4) Le remodelage du cartilage

Ce remodelage est possible mais extrêmement lent du fait de la longue vie des chondrocytes. Néanmoins on assiste à une régénération en cas de lésion grâce à ceux-ci. Ils sont capables à la fois de synthétiser la matrice et de la détruire grâce à des protéases notamment des agrécanases et dérivés oxygénés.

Ces outils de destruction sont régulés par des facteurs locaux (cytokines et facteurs de croissance), sécrétés par les chondrocytes ou les cellules de voisinage (synoviocytes, cellules osseuses et inflammatoires) ou par des facteurs systémiques reçus via la vascularisation de l’os adjacent.

5) Homéostasie du cartilage

On a prouvé l’interaction os-cartilage par l’injection de fluorochromes dans le cartilage qu’on a retrouvé dans l’os et vice versa. Ils échangent des signaux bénéfiques ou délétères destinés à maintenir l’homéostasie.

On a longtemps utilisé l’IL-1 beta en recherche pour simuler la dégradation cartilagineuse lors de la maladie arthrosique, cependant une fois inhibée on n’observe aucune diminution de la maladie.

6) Biomécanique chondrocytaire

Les chondrocyte sont sensibles à la pression statique et cyclique et détecte via les intégrines qui sont des mécanorécepteurs les étirements, tensions, pressions, flux liquidiens, déchirures qui lui sont appliqués. Cela lui permet de répondre via différentes voies de signalisation :

- ouverture de canaux calciques - expression génique et synthèse protéique

- phosphorylations protéiques

Une stimulation trop importante est délétère pour le cartilage car on assiste alors à la production d’un nombre important de cytokines et facteurs de dégradation (protéases) qui vont détruire le cartilage et favoriser la maladie arthrosique (sportifs de haut niveau). Cependant une absence de stimulation est tout aussi mauvaise pour le cartilage, celui-ci n’étant pas sollicité il perd sa résistance biomécanique (personnes dans l’espace ou alitées).

7) Vieillissement et maladie arthrosique

Au cours du vieillissement on assiste à une accumulation de dégâts au sein du cartilage, qui devient optiquement jaunâtre, « caramélisé » :

· Une diminution des capacités prolifératives du chondrocyte, de la réponse anabolique

· Une diminution de la taille de l’agrécane et donc du contenu en eau

· Une augmentation du stress oxydatif, de la réponse catabolique (démontré expérimentalement par une augmentation de MMP-13 au cours de l’âge)

· Une accumulation de déchets, de protéines dégradées, de produits de glycation avancés

Les produits de glycation avancés (ou AGE) sont des oligosaccharides qui se lient de manière covalente sur des protéines ce qui modifie le réseau protéique, leur liaison étant anormale. Celle-ci est reconnue par le chondrocyte via son récepteur RAGE et active la réponse catabolique, favorisant la maladie arthrosique par destruction ce qui augmente la rigidité.

Les AGE diminuent la synthèse des protéoglycanes et diminue les propriétés biomécaniques au sein du cartilage.

Au cours du vieillissement, on assiste à une sarcopénie, le muscle diminue en force, ainsi qu’une hyper laxité ligamentaire. L’articulation étant moins stable, le poids se répartit de manière inégale sur le cartilage. Celui-ci réagit par une prolifération accrue du chondrocyte qui devient hypertrophique dans des zones non calcifiées. On retrouve alors plus de vascularisation car plus de VEGF ce qui amène plus de facteurs cataboliques. Tout cela entraine donc une destruction et une calcification importante du cartilage au cours du vieillissement et de la maladie arthrosique.

La maladie arthrosique se résume par une dégradation importante de la matrice, une perte cellulaire, une matrice de moindre qualité, calcifiée avec des chondrocytes dont l’état de différentiation est modifié.

Dédicaces :

A La division - A l’amende - A la BPI en août – Aux pates – A l’allo BDS Tahia la résistance

Aux doctorettes

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Ronéo 1 - UE11- COURS 3 Biologie cellulaire et moléculaire du cartilage.