Physiologie du cartilage Plan du cours : I. Les deux types de cartilage

a - Cartilage de croissance b - Cartilage articulaire

II. Cartilage de croissance

a - Formation osseuse b - Cartilage épiphysaire en développement c - Différenciation des chondrocytes d - Cartilage et BMP e - Cartilage et PTHrP f - Prolifération des chondrocytes g - FGF et cartilage

III. Cartilage articulaire

a - Topographie b - Caractéristiques du cartilage articulaire

Organisation Composants

c - Matrice cartilagineuse Collagène Protéines non collagéniques Acide hyaluronique et protéoglycannes Matrice extra cellulaire et organisation du cartilage

d - Remodelage du cartilage e - Homéostasie du cartilage articulaire f - Enzymes de la matrice cartilagineuse g - Chondrocytes et contraintes mécaniques h - Stimulation extérieure et signalisation chondrocytaire i - Vieillissement du cartilage j - L’arthrose :

Dégradation matricielle et arthrose Médiateurs de l’arthrose

I. Les deux types de cartilage On distingue 2 types de cartilage : le cartilage de croissance et le cartilage articulaire. a - Le cartilage de croissance Le cartilage de croissance existe dès les premières étapes du développement et disparaît à la puberté. Sa fonction est d’assurer la croissance des os. Au cours du développement et de la croissance, les chondrocytes sont le siège d’une différenciation terminale. Puis, ils entrent en apoptose, et seront remplacés par les ostéoblastes qui vont venir apposer de l’os. C’est donc au niveau du cartilage de croissance que ce fait le remplacement du cartilage par de l’os. Sa durée de vie est transitoire, il disparaît juste après la puberté (sert donc au diagnostic de la puberté). b - Le cartilage articulaire Il fait partie des extrémités des os à l’age adulte. Il est caractérisé par l’absence de différenciation terminale : ce sont des chondrocytes quiescents qui ne sont engagés que jusqu’à un certain point de leur différenciation, et qui possèdent une activité métabolique. Ils peuvent entrer en apoptose au cours des phénomènes pathologiques (ex : arthrose). Lors de l’enfance, on dispose d’un stock de chondrocytes. Le remodelage du cartilage est faible, il y a peu de prolifération des chondrocytes et très peu de mort. C’est un tissu à remodelage lent. Le pool de chondrocytes au moment de l’âge adulte qui sera maintenu tout au long de l’âge. Sa fonction est essentiellement mécanique, il a perdu toute fonction de minéralisation. II. Cartilage de croissance a - Formation des os Son rôle est d’allonger les os en longueur et en largeur. Elle débute par une ébauche cartilagineuse, puis la formation du périchondre qui sera suivit par un front d’ossification.

La formation du périchondre s’effectue à partir de cellules mésenchymateuses totipotentes. C’est au niveau du périchondre que les chondrocytes vont naître, et qu’ils vont commencer à se différencier. Ils vont ensuite rentrer à l’intérieur de la structure grâce aux vaisseaux. C’est grâce à cette vascularisation que va pouvoir se faire la différenciation des chondrocytes de ce type de cartilage. Il y aura ensuite formation du point d’ossification central et d’autres points d’ossification aux épiphyses, toujours relayés par la vascularisation.

Le cartilage va progresser du centre vers la périphérie : par des couches de chondrocytes qui vont se différencier progressivement et qui en se différenciant vont pousser les extrémités de part et d’autre.

b - Le cartilage épiphysaire en développement

La couche de chondrocytes va proliférer, puis se différencier pour donner des chondrocytes pré-hypertrophiques puis hypertrophiques. Après acquisition du caractère hypertrophique, ils vont entrer en apoptose pour laisser la place aux autres cellules qui ont la même origine : les ostéoblastes, pour pouvoir construire de l’os.

Prolifération Pré-hypertrophie Hypertrophie Apoptose Remplacement des cellules La régulation du cartilage de croissance est soumise à de nombreux facteurs généraux et des facteurs locaux. La BMP 2 (Bone Morphogenic Protein) et la PTH-rP (protéine reliée à la parathormone, dont la structure est proche de la parathormone et qui peut se lier au récepteur de la PTH) sont spécifiques et indispensables à la constitution du cartilage : ils régulent la croissance et la prolifération. Le FGF (Fibroblast Growth Factor) a un rôle très important au cours de la croissance (comme BMP et PTH-rP) et dans les différentes mutations qui peuvent se traduire par des modifications de taille. Une anomalie du FGF ou de son récepteur va entraîner des anomalies du crâne chez l’enfant, ce qui entraîne la mort à la naissance : crâniodysplasies (malformations crâniennes).

c - Différenciation des chondrocytes

BMP-2,PTH-rP FGF

Les cellules mésenchymateuses vont se différencier en différents types de cellules sous l’effet des facteurs de transcription.

- Si la cellule mésenchymateuse exprime MYO-D ou MEF2 : les cellules vont s’engager vers une voie de différenciation musculaires = myocytes.

- Lorsque c’est Runx2 qui s’exprime, la différenciation se fera en ostéoblastes. - Lorsque c’est PPAR 2 qui s’exprime la différenciation se fait en adipocytes.

C’est un facteur ubiquitaire, mais très exprimé dans les adipocytes. Les agonistes de PPAR 2 sont des antidiabétiques oraux, qui servent à diminuer la résistance à l’insuline, mais ça entraîne une augmentation des adipocytes dans la moelle et une diminution des ostéoblastes (entraîne une modification de l’équilibre des cellules environnantes).

- Sox9 est le premier facteur de transcription identifié qui survient dans la différenciation chondrocytaire. C’est le premier à agir et le plus important !

La différenciation chondrocytaire est d’abord induite par l’expression de Sox9 qui a plusieurs co-facteurs : Sox5 et Sox6. Sox9 va lier Sox5 et Sox6, le complexe ainsi formé va se lier sur le promoteur de Col II (collagène type II) pour activer le gène du collagène de type II. Ce qui détermine la différenciation d’un chondrocyte c’est l’activation de Sox9 qui va activer la transcription du gène du collagène de type II. Pour la recherche de marqueurs de la différenciation chondrocytaire, on recherche l’expression de Sox9 puis de Col II. Des anomalies de Sox9 entraînent :

- une dysplasie campomélique (dysplasie essentiellement au niveau des segments proximaux des membres)

- une hypoplasie de tous les os - une inversion sexuelle chez les sujets XY - une mort à la naissance par insuffisance respiratoire (l’absence de cartilage

est donc incompatible avec la vie) A partir d’une cellule totipotente ou multipotente on va avoir une différenciation chondrocytaire qui va apparaître grâce à Sox9 et BMP2, les 2 premiers qui sont exprimés et qui induisent l’engagement vers la voie de différenciation chondrocytaire, capable de faire secréter du collagène II. La sécrétion de collagène II signe l’engagement dans la différenciation car une cellule très peu différenciée produit du collagène I et du collagène III. Une fois différencié le chondrocyte va soit rester tel quel, ex : cartilage adulte, soit il s’engage vers la voie d’apoptose grâce à Runx2. L’apoptose va se traduire par la production du collagène X.

Tout d’abord il devient un chondrocyte hypertrophique puis il entre en apoptose. Prolifération Différenciation Hypertrophie Apoptose Collagène II Collagène X

A partir des cellules mésenchymateuses on aura l’expression de Sox9 accompagné de ses co-activateurs Sox5, Sox6, qui permettent l’engagement vers la voie chondrocytaire. Le chondrocyte une fois différencié va devenir pré-hypertrophique stade 1, puis pré-hypertrophique stade 2. Lorsqu’il est pré-hypertrophique il s’engage vers l’apoptose grâce à l’expression de Runx2, Sox9 lui ne s’exprime plus. Il est possible qu’à partir du chondrocyte hypertrophique l’expression de Runx2 permette la réorientation du chondrocyte hypertrophique vers la voie de l’ostéoblaste. Le chondrocyte hypertrophique a donc le choix entre l’apoptose ou la transformation en ostéoblaste sous l’effet dans les deux cas de Runx2. Cela permet qu’à partir d’une couche de cartilage on obtienne une couche osseuse. Différents facteurs contribuent à la modification de l’acquisition des caractères hypertrophiques : - Ihh (Indian Hedgehog) produit par les chondrocytes hypertrophiques va faire sécréter la PTH-rP qui va augmenter le chondrocyte hypertrophique. - Les facteurs contribuent à la prolifération sont BMP et Ihh, en sécrétant la PTH-rP. - Les FGF bloquent Ihh.

FGFs

BMPs

collagene type X

osteocalcine

Sox9, L-Sox5, Sox6

Runx2 Sox9

¢

chondrocyte

apoptos

chondrocyte hypertrophique

osteoblast

chondrocyte pre-hypertrophique I

chondrocyte pre-hypertrophique II

Ihh

PTHrP(R

PTHrP

d - Cartilage et BMP Les BMP sont les 1ères substances identifiées comme facteur de prolifération (facteur anabolique) du cartilage. Ce sont des facteurs de croissance qui appartiennent à la super famille des TGF. Les BMP 2e et 4 sont responsables du développement du cartilage. La BMP va agir directement sur les chondrocytes pour stimuler la synthèse de collagène de type II et la production de protéoglycanes. Elle induit « de novo » (après injection locale) : la formation du cartilage, c’est donc un puissant inducteur de la prolifération mais aussi de la différenciation des cellules chondrocytaires. e - Cartilage et PTH-rP La PTH-rP est une hormone apparentée à la PTH, elle va se fixer sur le même récepteur que la PTH, c’est le récepteur PTH-PTHrP. Une délétion du gène de ce récepteur chez la souris entraîne une absence totale de cartilage et les souris ne sont pas viables. Les enfants qui ont des mutations du récepteur à la PTH-PTHrP ont un phénotype particulier : - os courts - ossification endochondrale très précoce - des multiples zones d’ossification (d’où la forme bizarre des os) La PTHrP est donc aussi responsable de l’initiation de la formation du cartilage au cours de la croissance.

f - Prolifération des chondrocytes : rôle des BMP et Ihh Ihh est sécrété par le chondrocyte : il a un effet positif sur la prolifération, et il va faire sécréter par les chondrocytes des BMP potentialise la prolifération. La BMP et Ihh vont avoir un rôle direct sur la prolifération chondrocytaire : effet synergique direct ou indépendant. Ils entraînent une prolifération importante. Mais Ihh va sécréter en retour de la PTHrP qui va bloquer la prolifération des cellules pour qu’elles puissent entrer en différenciation. BMP et Ihh n’ont pas d’effet direct sur la différenciation en chondrocyte hypertrophique, c’est la PTHrP qui va jouer ce rôle de limitation de la prolifération.

g - FGF et cartilage FGF : famille de 9 facteurs de croissance avec 5 récepteurs Ce facteur accélère la différenciation des chondrocytes. La différenciation va se traduire par l’acquisition du phénotype hypertrophique et la diminution de la prolifération. L’étude d’enfants atteints d’une achondroplasie a révélé la présence d’une mutation activatrice de FGF-R3 qui entraîne une maturation trop rapide de la plaque de croissance (une fermeture plus rapide) et donc un nanisme avec des membres courts. Par exemple, l’achondroplasie est le nanisme le plus fréquent dont la prévalence est de 4/1000. Il consiste en une mutation activatrice dans le domaine transmembranaire du FGF-R3. Il n’y a pas de différenciation chondrocytaires de la plaque de croissance qui se traduit par une malformation des os. III. Cartilage chez l’adulte a - Topographie Il existe de nombreux sites de cartilage dans le corps humain. Le cartilage élastique est essentiellement localisé dans la tête et le cou. Le cartilage hyalin se trouve essentiellement dans les voies respiratoires. Le cartilage fibreux se trouve au niveau des tendons, des disques intervertébraux et des ménisques. La résistance mécanique est très différente entre les cartilages élastiques et les cartilages fibreux. Particularités : Le cartilage fibreux contient des fibres de collagène parallèles qui leur confèrent une compétence mécanique aux forces de tensions. Le cartilage élastique est constitué de fibres d’élastine.

b - Caractéristiques du cartilage articulaire : Le cartilage adulte n’est pas vascularisé et n’est pas innervé. Comme il n’est pas vascularisé, son remodelage est lent. Il est nourrit par la membrane et le liquide synovial. Le cartilage articulaire n’étant pas innervé, il n’est donc pas douloureux en soit, les douleurs articulaires proviennent essentiellement des structures autour de l’articulation. Néanmoins, la production de prostaglandines par les chondrocytes contribuent à la réaction douloureuse. Ce cartilage est constitué exclusivement des chondrocytes (10%) qui baignent dans une matrice extra-cellulaire très abondante.

Organisation

La couche superficielle est constituée de cellules aplaties, réparties également tout le long. Les couches intermédiaires sont constituées de cellules plus volumineuses. Au niveau de la couche profonde, il y a de moins en moins de cellules. Elle est séparée par une ligne : la TIDEMARK, elle sépare le cartilage profond du cartilage calcifié c’est-à-dire l’os. Grace à différentes colorations, on voit très bien cette frontière entre les deux zones.

C. Superficiel C. Intermédiaire C. Profond C. Calcifié Os

Composants de la matrice extra-cellulaire

Le chondrocyte va sécréter :

- du collagène II - collagène IX - des protéines non collagéniques : COMP

Sur le collagène de type II, vont venir se lier des protéoglycannes : la décorine et les aggrécanes. Toutes ces molécules vont former un réseau en trois dimensions qui forme un filtre empêchant toute cellule de rentrer à l’intérieur. c- La matrice cartilagineuse Elle est constituée de : Collagène :

- de type II : fibrillaire, spécifique du cartilage et du vitrée (MEC de l’œil) - de type IX : non fibrillaire, il est associé au type II - de type X : produit uniquement par les chondrocytes hypertrophiques.

C’est donc un marqueur pour savoir si les chondrocytes sont hypertrophiques. Ces collagènes forment un réseau permettant la résistance aux forces de tension et de cisaillement. Protéines non collagéniques : Synthétisées de manière abondante.

- Matrix Gla protéine : empêche la minéralisation du cartilage - Fibronectine (ubiquitaire) - Tenascine - Elastine (cartilage élastique)

Acide hyaluronique et protéoglycanes : Les glycosaminoglycanes sont composés de disaccharides chargés négativement. Ils attirent le sodium et donc l’eau ce qui entraîne la formation d’un gel de très fort volume par rapport à la masse. Cette conformation très étirée et son volume lui confèrent la résistance aux forces de compression. L’acide hyaluronique est un glycosaminoglycanne de très haut poids moléculaire, il est très long (25 disaccharides), cet appel d’eau et de sodium va donner à une seule molécule un volume très important et donc une résistance aux contraintes mécaniques. Les protéoglycannes du cartilage peuvent être très grosses : aggrécanes : agrégats de gros protéoglycannes branchés sur l’acide hyaluronique. La décorine et le biglycan très petits.

Matrice extra-cellulaire et organisation du cartilage : L’aggrécane est un composant majeur du cartilage. Les souris dont le gène de l’aggrécane a été délété, développent une arthrose rapidement. Les petites protéoglycanes (décorine) et le collagène de type II sont à la superficie, ils diminuent avec la profondeur. Et les protéoglycanes de haut poids moléculaire (aggrécanes) sont dans les couches profondes. On pense que cette organisation est due aux contraintes mécaniques, c’est pour cela que les grosses protéoglycanes se trouvent en profondeur (où s’exercent les forces). d - Remodelage du cartilage Le remodelage du cartilage se fait de façon lente car il n’est pas vascularisé. Les seules cellules responsables de ce remodelage sont les chondrocytes qui dégradent et synthétisent la matrice (protéoglycane et collagène). Cette même cellule régule l’équilibre entre synthèse et dégradation. Cette dégradation est réalisée par des protéases : MMP (Metallo-protéases) dont les aggrécanases (coupent les aggrécanes) et les dérivés oxygénés. La dégradation et la synthèse vont être régulées par des facteurs locaux (cytokines dégradation et facteurs de croissances synthèse) sécrétés par les chondrocytes ou les cellules du voisinage (synoviocytes, cellules osseuses et inflammatoires = macrophages). e - Homéostasie du cartilage articulaire

L’homéostasie du cartilage est régulée par une balance entre dégradation et synthèse de matrice. La matrice est synthétisée par des facteurs anaboliques : facteurs de croissance (BMP, TGF, IGF-1). Les facteurs cataboliques dégradent la matrice : cytokines pro inflammatoires (IL-1, TNF), enzymes protéolytiques, et dérivés oxygénés. Lors de l’inflammation et de l’arthrose, la balance penche vers la dégradation. f - Enzymes de la matrice cartilagineuse Il existe 2 types d’enzymes protéolytiques :

- Métalloprotéases (MMP3, MMP13) qui activent d’autres MMP et peuvent cliver les protéines matricielles

- Protéases (collagénase, aggrécanase

• cytokines pro-inflammatoires (IL-1, TNF) • enzymes protéolytiques • dérivés oxygénés

Facteurs cataboliques

facteurs de croissance (BMP, TGF, IGF-1)

Facteurs anaboliques

Dégradation de matrice synthèse de matrice

Ci-dessous on voit une aggrécane constituée d’un corps avec des branchements. Les MMP vont cliver cette aggrécane à différents endroits, le nom de l’enzyme protéolytique est déterminé par l’endroit de clivage de l’aggrécane. Il faut l’action de différentes protéases à différents endroits pour digérer une aggrécane.

Les cytokines sont produites par l’os sous le cartilage ou par le pannus synovial. Elles vont activer les chondrocytes pour qu’ils produisent des MMP qui vont cliver les composants de la matrice extra-cellulaire. Comme le cartilage n’est pas vascularisé, ces produits peuvent être sécrétés par les chondrocytes eux-même, mais encore par les cellules de la synoviale ou par l’os sous jacent.

g - Chondrocytes et contraintes mécaniques Le cartilage sert à résister aux contraintes mécaniques exercées pendant le mouvement. Les chondrocytes sont sensibles à la pression statique et cyclique : étirement, tension, pression, flux liquidien. Ces contraintes entraînent des modifications (activation) de la fonction des chondrocytes : Ouverture des canaux calciques Activation de la phosphorylation des protéines intra chondrocytaires Expression des gènes et synthèse des protéines Les contraintes mécaniques vont modifier l’expression des gènes et le remodelage du cartilage.

h - Stimulation extérieure et signalisation chondrocytaire Les intégrines se comportent comme des mécanorécepteurs, elles permettent le passage de l’information de la contrainte mécanique aux chondrocytes. L’intégrine 51 prédomine sur les chondrocytes. Cette intégrine va être activée par les chondrocytes et va entraîner la synthèse des protéases et des cytokines.

i - Vieillissement du cartilage Le vieillissement du cartilage se caractérise par :

- une diminution du nombre de chondrocytes - les produits de dégradation de la matrice s’accumulent (ils ne sont plus catabolisés) - une moins bonne résistance mécanique - relation avec l’arthrose +++ (ces caractéristiques s’observent aussi dans l’arthrose)

j - L’arthrose C’est la pathologie du cartilage la plus fréquente. L’arthrose n’est pas synonyme de vieillissement. Elle peut toucher aussi les jeunes, sa survenue augmente avec l’âge, mais ce n’est pas une maladie directement liée à l’âge. En cas d’arthrose, il y a plus de dégradation de la matrice que dans un simple vieillissement. L’aggrécane diminue en concentration. L’atteinte prédomine dans la partie superficielle (vieillissement = atteinte de tout le cartilage) et une différenciation vers le phénotype hypertrophique. Dans le cartilage normal, les cellules sont réparties de manière uniforme dans des petites logettes. Dans le cartilage arthrosique, (le rouge sur la diapo est beaucoup moins intense), on constate qu’il y a beaucoup moins de protéoglycannes, les cellules sont plus petites avec un gros noyau. L’arthrose se traduit par des modifications quantitatives et qualitatives du cartilage.

Synthèse de proteases, cytokines …

Dégradation matricielle et arthrose Les modifications qualitatives sont liées à l’augmentation des médiateurs de dégradation : IL1, TNF, eisosanoides, qui se fixent sur les récepteurs des chondrocytes. Ceux-ci activent les voies de signalisation qui vont activer à la fois la sécrétion de MMP, mais aussi des cytokines qui potentialise la dégradation. L’inflammation de la synoviale entraîne aussi la sécrétion de MMP, de NO, de cytokines et de prostaglandines. Dès que l’inflammation est initiée, il y a une accélération de la dégradation des chondrocytes. Médiateurs de l’arthrose

Certains médiateurs de l’inflammation vont augmenter la dégradation, d’autres vont augmenter la synthèse. Les médiateurs qui augmentent la dégradation sont les cytokines. Les médiateurs qui augmentent la formation sont les facteurs de croissance, BMP, TGF.

MODIFICATIONS QUALITATIVES

MODIFICATIONS QUANTITATIVES

NORMAL OA

Adapted from M. Goldring, A&R 2000

Il y a une régulation entre les cytokines et les facteurs de croissance : modulée par des récepteurs solubles qui vont en compensation essayer d’inhiber l’évolution vers la dégradation. Pour cibler la dégradation du cartilage, on peut réduire l’inflammation par les antagonistes de l’IL1. Les anti-inflammatoires ont un effet faible sur la dégradation du cartilage, mais sont efficaces sur les douleurs. C’est pourquoi on recherche actuellement des cibles spécifiques de réparation en ciblant les voies d’activation cellulaire, les facteurs de croissance ou en inhibant les protéases à l’origine de la dégradation.