la MÉCA NOB IOLO g i e

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1 L A L E T T R E L E T T R E D I N F O R M A T I O N ( 3 n u m é r o s p a r a n ) s e p t e m b r e N 1 3 E d i t o r i a l La signalisation intracellulaire chargée d'assurer ce processus régulatoire commence à être connue et l'étude des rapports entre paramètres mécaniques et fonctions cellulaires a reçu le nom de M é c a n o b i o l o g i e. Discipline jeune, la mécanobiologie bénéficie des techniques modernes d'exploration des processus vitaux : biologie moléculaire, résonance magnétique, génomique et protéomique. Elle devra, dans un proche avenir, participer largement à la compréhension physio-pathologique et à l'approche thérapeutique des maladies du cartilage et en particulier de l'arthrose. La lettre que consacre l'observatoire du Mouvement à ce sujet neuf doit donc, au travers des quatre articles présentés ici, être un outil de découverte pour le lecteur qui y entreverra une source de développement considérable pour la biologie du cartilage normal ou p a t h o l o g i q u e. - Le second article reprend et densifie ces données en utilisant les enseignements fournis par l'expérimentation in vitro, principalement la culture de c h o n d r o c y t e s. - L'article suivant venu d'oxford, nous apprend que le métabolisme glycolytique et la production d'atp par le chondrocyte participent directement aux phénomènes de régulation de la mécanobiologie. - Le dernier papier enfin, nous montre que des récepteurs particuliers habituellement présents dans les tissus cérébraux, identifiés par une équipe écossaise, peuvent aussi jouer un rôle inattendu dans la traduction du signal mécanique. Pierre Va l d i g u i é la MÉCA NOB IOLO g i e Le mouvement à l échelle cellu la i r e Éditorial : P. Va l d i g u i é 1 Point de vue : P. Va l d i g u i é 1 De la Biomécanique à la Mécanobiologie : l exemple du cartilage : J.- F. Stoltz, et al. 3 Influence des déformations cycliques et statiques sur le métabolisme du cartilage articulaire : J.- P. Pujol 5 Stress mécanique et métabolisme énergétique du cartilage : Joseph A. Browning, et al. 9 Le Role des Récepteurs NMDA dans la Mécanotransduction des Chondrocytes Articulaires Humains : D.M. Salter, et al. 11 B r è v e s 13 Opinion : Ch. Mansat 14 Point de vue L'équipe de J.-F. Stoltz ( N a n cy) s'intéresse dep u i s longtemps à la Biomécanique et a su fa i re évo l u e r ce concept ve rs la Mécanobiologi e. Le sujet est c o m p l exe puisque,si l'on connaît la résultante biologique issue des contra i n t e s m é c a n i q u e s,les mécanismes ex p l i q u a n t cette réponse sont seulement en cours de re c o n n a i s s a n c e,avec quat re étap e s s u c c e s s ives : W c o u p l age mécanique perm e t t a n t à la fo rce de pression appliquée d'être re c o n nue par la cellule ; W m é c a n o - t ransduction où récep t e u rs s p é c i fiques et cytosquelette sont mis en jeu ; W t ransduction du signal ou conve r- sion en signaux phy s i o l ogiques intrac e l l u l a i res ; W réponse cellulaire par les moye n s classiques de l'ex p ression génétique avec production protéique dépendant des tissus. I c i, pour le cart i- l age, la réponse biologique du ch o n d ro cyte est associée aux m o d i fi c ations des pro p riétés mécaniques de la mat rice ex t ra c e l l u- l a i re et de sa visco-élasticité en p a rt i c u l i e r. L ' i n t e raction entre cellule et mat rice ex t ra c e l l u l a i re est fo n d a m e n t a l e,agi s s a n t dans les deux sens :A i n s i une contrainte mécanique reçue par la mat rice est transmise par les canaux ioniques et le complexe intégri n e s - cy t o s- quelette au système de traduction du signal intrac e l l u l a i re (voie des kinases) qui l'amène au noya u, lequel réagi ra par une a c t ivation tra n s c riptionnelle provoquant en retour une synthèse ou une dégra d ation de protéines ou de gly c o s a m i n og lycannes (GAG ). Ces connaissances dev ra i e n t aboutir à la réalisation in vitro d'un cart i l age constitué d'une m at rice de poly m è res (acide hya l u ro n i q u e,c o l l agène) ensemençée par des ch o n d ro cy t e s ou des cellules souch e. L'équipe de J.-P. Pujol ( C a e n ),impliquée dans la biochimie du tissu conjonctif en généra l, nous présente une re m a rq u able synthèse sur l'influence des défo rm ations du cart i- l age art i c u l a i re sur son métab o- l i s m e,issue des données fo u r- nies par l'impact de la pre s s i o n hy d ro s t atique sur le métab o l i s m e in vitro des ch o n d ro cytes (culture c e l l u l a i re en monocouche ou en ge l t ri d i m e n s i o n n e l, explants de cart i l age, re c evant des pressions mécaniques ou hy d ro s t at i q u e s,cy cliques ou continu e s, de fréquence et d'amplitude va ri a- bl e s ).

2 Coupe histologique du cart i l age art i c u l a i re Ainsi s'expliquent : W le mécanisme de nu t rition du cart i l age par m o u vements d'eau et de nu t riments à partir du liquide synovial par diffusion au trave rs de la m at rice ex t ra c e l l u l a i re lors de la phase de re l â- chement après compre s s i o n,a l o rs que la phase précédente de compression s'accompag n a i t,à l ' i nve rs e,d'une fuite d'eau et de cat abolites ve rs le liquide synov i a l.de ce fa i t, l o rs de l'art h ro s e ou de la polya rt h rite qui s'accompagnent d'un d é ficit en pro t é og lycannes et en eau d'imbibition de ceux-ci, les mouvements d'eau et de solutés s'effectuent de manière fa i ble et désord o n n é e ; W la régulation de la production des éléments de la mat rice ex t ra c e l l u l a i re par le ch o n d ro cyte soumis à des fo rces mécaniques.ainsi une c o m p ression statique diminue la synthèse de p ro t é og lycannes et de collagène alors qu'une c o m p ression cy clique stimule l'activité métabolique et donc la synthèse des GAG et des p ro t é og lycannes ; W l'induction par les fo rces de cisaillement de la production de NO.Ce dern i e r,l o rsqu'il est en ex c è s,peut stimuler la dégra d ation des pri n c i- paux composants de la mat rice (pro t é og lycannes et collagène) et aussi diminuer leur biosynthèse ; W le rôle des fo rces de pression agissant sur le ch o n d ro cyte par l'interm é d i a i re de la mat ri c e qui mettent en œuvre un système de tra d u c t i o n du signal très complexe où les seconds message rs sont la cascade des kinases, a c t ivant au n iveau du noyau la phosphory l ation de pro t é i- nes nu cl é a i re s,fa c t e u rs de tra n s c ription ; W les tentat ives de synthèse d'un cart i l age i n v i t ro.le principe en est l'ensemençement de ch o n d ro cytes cultivés plusieurs semaines en bioréacteur sur des milieux biocompat i bl e s ( a l gi n at e, ch i t o s a n e, acide hya l u ronique) en présence de fa c t e u rs de cro i s s a n c e,le tout étant soumis à des contraintes cy cliques de pre s s i o n a n a l ogues à celles subies normalement par le tissu in vivo. La mécanobiologie perm e t t ra peut-être aussi d ' ap p o rter des enseignements sur la genèse de l ' a rt h rose et sur l'adap t ation nécessaire de l'hygiène de vie des sportifs et des art h ro s i q u e s. Les travaux de l'équipe de J. Urban à O x fo rd (UK) ont contri bué à écl a i rcir le rôle des ch a rges exe rcées sur le cart i l age vis à vis des altérations du métabolisme gly c o lytique et la production d'atp.celle-ci en effet est surt o u t due à la voie de la gly c o lyse anaéro b i e,peu efficace et re n t abl e,avec production concomitante de larges quantités de lactat e.la consomm ation d'o2 est dès lors fa i ble mais cep e n d a n t n é c e s s a i re. La biosynthèse des composants de la mat ri c e ex t ra c e l l u l a i re est liée à la présence d'at P.O n c o m p rend alors que le tra n s p o rt tra n s - m e m b ran a i re du glucose en entrée et du lactate en sort i e soit import a n t,utilisant des protéines de tra n s p o rt ( p rotéines GLUT) pour le glucose,( p ro t é i n e s MCT ou monocarboxylic tra n s p o rt e rs) pour le l a c t at e. De même existe un tra n s p o rt actif AT Pasique pour expulser des ions H+ hors du cy t o s o l. La ch a rge mécanique intervient aussi sur la g ly c o lyse et est ATP médiée.toute ch a rge stat i q u e expulse du liquide de la mat rice et augmente l ' o s m o l a rité locale (H+ et Na+ surtout) qui re t e n- tit à son tour sur la composition ionique du milieu intra c e l l u l a i re et le ph,induisant une chute d'activité des enzymes gly c o lytiques et une réduction de la concentration en AT P.C e t t e d i m i nution de la gly c o lyse lors des hy p e rp re s- sions statiques est aussi liée à une inhibition du t ra n s p o rt tra n s m e m b ra n a i re du glucose dans les ch o n d ro cy t e s. Schéma montrant les différents types d ' i n t e raction entre la matrice extra - c e l l u l a i re et le chondrocyte. C a rt i l age normal et art h ro s i q u e L'équipe de DM Salter,E d i m b o u rg, p r é s e n- te un travail ori ginal sur la mise en jeu de récept e u rs part i c u l i e rs sur les ch o n d ro cytes pour la m é c a n o t ra n s d u c t i o n. Cette équipe a noté en effet que la stimu l at i o n m é c a n i q u e in vitro de ch o n d ro cytes provo q u a i t, o u t re les effets déjà décrits dans les art i cl e s p r é c é d e n t s,une mise en jeu de la substance P, une neurokinase neuro m é d i at ri c e,dont la fo n c- tion est étroitement liée au glutamat e,un neurot ransmetteur majeur du système nerveux centra l dont les récep t e u rs sont de plusieurs types,e n p a rticulier les NMDA (N méthyl D aspart at e ), présents aussi en dehors du système nerve u x, dans l'os,le pancréas,la peau. L ' i m mu n o h i s t o chimie et l'amplifi c ation par RT- PCR (Reve rse Tra n s c ription Po ly m e rase Chain Reaction) ont montré que des récep t e u rs NMDA fonctionnels sont ex p rimés dans le cart i l age art i- c u l a i re humain.ils pourraient jouer un rôle dans la réponse des ch o n d ro cytes normaux à la stimul ation mécanique,en faisant intervenir l'intégrin e,la substance P et l'interleukine 4.L ' a dd i t i o n d'un agoniste de ces récep t e u rs NMDA provo q u e une réponse de dépolari s ation membra n a i re, a l o rs que l'addition de NMDA ou de glutamat e induit une hy p e rp o l a ri s ation des ch o n d ro cy t e s n o rmaux en culture,tandis que l'addition de ces substances à des ch o n d ro cytes art h ro s i q u e s p rovoque au contra i re une dépolari s ation et ne s e m ble pas augmenter les taux d'aggr é c a n n e s après stimu l ation mécanique,ce que font les ch o n d ro cytes norm a u x. Ces éléments sugg è rent que la voie de signalis ation par les récep t e u rs type NMDA est altérée dans l'art h rose et que la voie interleukine 1/ NO peut être associée à cette réponse. A i n s i, la mécanobiologie ou étude des mécanismes de stimu l ation des ch o n d ro cytes par les fo rces de pression art i c u l a i res ap p a raît bien comme une discipline d'avenir pour la compréhension biochimique de la traduction du signal, pour la connaissance des phénomènes pat h o- l ogiques survenant dans l'art h rose et pour la n é c e s s a i re ingéniérie de production d'un cart i- l age art i ficiel U P i e rre M.Va l d i g u i é Hôpital Unive rs i t a i re de Rangueil,To u l o u s e N 13 - PAG E 2 - LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

3 De la Biomécanique à la Mécanobiologie : l exemple du cart i l a g e «Bold ideas, u n j u s t i fied ex p e c t ations and speculations constitue our only means fo r c o m p rehending nat u re». K Ko p p e r Biomécanique et m é c a n o b i o l ogie : quelle(s) définition(s) «Everything should be made as simple as possible but not s i m p l e r». A Einstein. E t y m o l ogi q u e m e n t, la biomécanique est la mécanique appliquée aux sciences du viva n t. Cette définition est à la fois vaste et imprécise ; elle est également limitat ive,car elle n inclut pas les effets phy s i o l ogiques ou pat h o l ogi q u e s e n gendrés par les contraintes ap p l i q u é e s. Trois définitions (plus ou moins complètes) définissent les champs de la biomécanique. La pre m i è re pro p o s e,par l ap p l i c ation des lois de la mécanique,de tro u ver des solutions à des p ro blèmes médicaux, b i o l ogi q u e s, e rgo n o- miques ou sport i f s. La deuxième,plus mécanique dans son espri t, e nv i s age l étude des pro p riétés mécaniques des cellules et des tissus en prenant en compte la c o m p l exité des stru c t u res étudiées (ex :mu s cl e c a rd i a q u e, p a roi va s c u l a i re, étude de la microc i rc u l ation sanguine,c a rt i l age ). E n fi n, la tro i s i è m e,plus récente et plus intégrat ive,s i n t é resse non seulement aux pro p ri é t é s des objets étudiés à trave rs leurs stru c t u re s,m a i s é galement à leurs fonctions et aux conséquences phy s i o p at h o l ogi q u e s.cette défi n i t i o n met en œuvre,non seulement la résolution de p ro blèmes fondamentaux et le déve l o p p e m e n t de modèles, mais aussi les connaissances les plus récentes de la biologie moléculaire, de la génomique ou de la biologie cellulaire. C e t t e n o u velle ap p ro ch e, très prometteuse par ses ap p l i c ations potentielles en ingénierie cellul a i re et tissulaire,peut être englobée sous le t e rme de «m é c a n o b i o l ogi e». R e m a rq u o n s d a i l l e u rs que cette ap p ro che avait été ap p r é- hendée par Wilhelm Roux ( ) qui définissait dès 1880 le phénomène d adap t at i o n fonctionnelle contrôlé par un stimulus fo n c- t i o n n e l.il écrivait alors «Th e re exists a group of ve ry fine ap p ro p ri ate stru c t u ral fo rm ations wh i ch could not result from selection alone Many cells are influenced by functional stimu l i,the nerve, mu s cl e,gland cells by the re l ated (electric) pulse, bone cells and connective tissues cells by pre s- s u re and tension». M é c a n o b i o l og i e - M é c a n o t r a n s d u c t i o n Les cellules du corps sont soumises en perm a- nence à des contraintes (i : p ression sanguine, c o n t raintes liées aux mouve m e n t s ).C e l l e s - c i va rient de quelques Pascal (contraintes de cisaillement à la paroi va s c u l a i re) au MPa ( c o n t raintes sur le cart i l age de la hanch e ). C e n est que récemment cependant qu il a été re c o n nu que ces contraintes étaient suscep t i- bles d influencer les pro p riétés de la cellule ( p hy s i o l ogi e,s y n t h è s e s,ex p ression de gènes ) au même titre que les modifi c ations bioch i- miques [Ingber DE., ]. C ependant une des pre m i è res observat i o n s,l a i s- sée longtemps sans suite,est celle de Wo l ff,ch i ru r- gien allemande qui dès 1892 écrivait sur l adapt abilité de l os «eve ry ch a n ge in the fo rm and function of bone or of their functions alone is fo l l owed by certain defi n i t ive ch a n ges in their i n t e rnal arch i t e c t u re and equably defi n i t ive second a ry alterations in their ex t e rnal confo rm at i o n in accordance with mat h e m atical law s» :il définissait ainsi les phénomènes connus aujourd - hui sous le nom de re m o d e l age tissulaire. Pa rallèlement à l interface phy s i q u e - b i o l ogi e, la mécanique cellulaire a connu une révo l u- tion conceptuelle au cours des 20 dern i è re s années avec le développement de la biologi e m o l é c u l a i re, de la génomique et aussi de la mécanique avec la possibilité de mesurer des fo rces de l ord re du piconewton et des défo r- m ations nanométri q u e s.il est alors possible de mieux appréhender la re l ation entre para m è t- res mécaniques locaux et fonctions cellulaire ( c o n c ept de mécanobiologi e ). Il a pu être montré que non seulement la quasi totalité des cellules est sensible aux fa c t e u rs mécaniques de l env i ronnement mais aussi à leur ori gine et à l histoire des contraintes ap p l i q u é e s. Si les effets biologiques des contraintes mécaniques sont maintenant re l at ivement bien décrit e s, les mécanismes expliquant ces phénomènes restent mal connu s.c o m m e n t,en effe t,p e u t - on expliquer le passage d un stimulus mécanique à un phénomène phy s i o l ogique (ex : s é c r é t i o n,ex p ression d un récep t e u r,a c t ivat i o n d un gène ) sachant que les effets constat é s ne sont pas toujours les mêmes d un type cellul a i re à l autre. On admet aujourd ui que ces phénomènes se déroulent en 4 grandes étap e s [Duncan R.L.et al.,19995] : a) le couplage mécanique qui implique généralement la tra n s fo rm ation de la fo rce ap p l i q u é e en une fo rce détectable par les cellules ou l induction d un phénomène physique (ex : p re s- sion sur un os qui induit une circ u l ation de fl u i- de dans le système canaliculaire et l ap p a ri t i o n d un potentiel électrocinétique d écoulement). b) la mécanotra n s d u c t i o n p ro p rement dite qui correspond à l action des fo rces induites sur des stru c t u res spécifi q u e s.d i ff é rentes hy p o- thèses sont aujourd hui évoquées et font l objet de re ch e rches tant mécaniques que biologiques (cytosquelette qui se stru c t u re et s ori e n- t e, r é c ep t e u rs spécifiques dans les zones à c o n t raintes élev é e s,r é c ep t e u rs liés à des pro t é i- nes fonctionnelles (ex : p rotéine G, c a n a u x ioniques) et même,comme cela a été évo q u é, existence de récep t e u rs mécanosensibl e s, c) la transduction du signal, c est à dire la c o nve rsion du signal mécanique en signaux p hy s i o l ogiques intra c e l l u l a i re s. d) la réponse cellulaire : r é g u l ation d un gène, l i b é ration de fa c t e u rs autocrine ou para c ri n e, ex p ression de récep t e u rs spécifi q u e s,... Si les étapes 3 et 4 sont souvent assez bien précisées pour de nombreux types cellulaire s, l a compréhension des étapes 1 et 2 nécessite le d é veloppement de modèles et d ap p ro ch e s ex p é rimentales spécifiques à chaque type cellul a i re étudié (ex : r é p a rtition des contraintes sur et dans la cellule endothéliale,p o ly m é ri s at i o n et ori e n t ation des éléments du cy t o s q u e l e t t e,... ). Les re ch e rches en mécanobiologie tro u ve n t notamment des ap p l i c ations médicales et thérapeutiques dans les domaines va s c u l a i re, c a rdiaque et ostéoart i c u l a i re.a i n s i, les trava u x les plus récents montrent que l incidence des c o n t raintes est spécifique du système considér é. De plus celles-ci sont impliquées dans la p hy s i o l ogie des tissus par exemple par la pro d u c- tion de la mat rice ex t ra c e l l u l a i re (ex :c a rt i l age, Fi g u re 1),pour la production de sécrétions spécifiques (ex.: P roduction de NO,p ro s t ag l a n d i n e s par les cellules endothéliales et écoulement sanguins) ou pour l induction par commu n i- c ation interc e l l u l a i re de fonctions spécifi q u e s. M é c a n o b i o l ogie et Mécanotransduction du c a rt i l age et du chondro c y t e [Stoltz JF, 1992, 2002, 2004] Le cart i l age est un tissu interface constitué d un seul type cellulaire (le ch o n d ro cyte) et d une m at rice autosynthétisée. Cette mat ri c e,très hy d rat é e,est fo rmée de pro t é og ly c a n n e s,d ive rs types de collag è n e s,de gly c o p rotéines et d acide hya l u ro n i q u e. Dans le cart i l age art i c u l a i re n o rm a l,les ch o n d ro cytes maintiennent un équil i b re entre synthèse et dégra d ation de la mat rice ex t ra c e l l u l a i re.l homéostasie est infl u e n c é e par des fa c t e u rs solubles (horm o n e s,v i t a m i n e s, cy t o k i n e s,fa c t e u rs de croissance) et par l env i- ronnement phy s i c o - chimique des ch o n d ro cytes et les contraintes mécaniques qui y sont assoc i é e s.l o rsque cet équilibre est ro m p u,une dégrad ation plus ou moins importante du tissu est o b s e rv é e,et aboutit à term e,soit à des tra u m a- N 13 - PAG E 3 - LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

4 Fi g.1 : R e l ation entre la stru c t u re du cart i l age,les signaux mécaniques et électro chimiques et les activités métaboliques des ch o n d ro cytes [d après Wang CC.et al., ]. tismes accidentels,soit à des pat h o l ogies dégén é rat ives telles que l art h ro s e. La pression exe rcée à la surface du cart i l age a rt i c u l a i re est très va ri able et va rie en fo n c t i o n du poids de l indiv i d u, de sa tension mu s c u l a i- re et de son activité physique [Kiv i ranta I.et al., ].A i n s i, des mesures in vivo ont montré qu en position deb o u t, la pression s exe r ç a n t sur la hanche d un patient est de 0,7 MPa. L o rs d une march e,une contrainte de 5-10 MPa péri o- dique est exe rcée sur la hanch e,soit une ch a r- ge équivalente à 3-8 fois le poids du corp s [Adams D.et al.,1985 ;A fo ke NY. et al., 1987 ; B e rmann G.et al., ].E n fi n,la pression peut dépasser 18 MPa lors de mouvements phy s i q u e s plus intenses comme par exemple un saut à p a rtir d une chaise [Ke rin A. et al., ]. Ces contraintes mécaniques résultent d une combinaison complexe de mécanismes de t e n s i o n,de fo rces de cisaillement et de compre s- sion ; le phénomène de compression étant le plus important au sein du cart i l age [Frank EH. et al.,2000] (Fi g. 1 ).Ces fo rces agissent non seulement sur la mat rice ex t ra c e l l u l a i re (modifi c a- tion des pro p riétés mécaniques),mais aussi sur le métabolisme des ch o n d ro cytes [Giga n t - Huselstein C. et al., ].Ainsi une immobilis ation ou l ap p l i c ation d une ch a rge stat i q u e d i m i nue les capacités de synthèse vo i re la dégrad ation du cart i l age. Les pro p riétés rhéologiques du cart i l age sont c o m p l exes et ch a n gent au cours de la compre s- sion en liaison avec les mouvements de fl u i d e. En fa i t, les mouvements de fl u i d e s, liés aux c o n t raintes ap p l i q u é e s,sont une des voies pri n- cipales d ap p o rt de nu t ri m e n t s.d un point de vue rhéologi q u e, le cart i l age obéit à une loi viscoélastique non linéaire complexe et possède un coefficient de friction très fa i ble comparat ivement à tous les mat é riaux art i ficiels connu s. Ce coefficient dépend non seulement des conditions de mesure (statique > dynamique) mais aussi du fluide env i ro n n a n t. Dans le ch o n d ro cy t e,la signalisation mécanique peut être ( voir schéma 7,p.7) : W soit spécifique (purement mécanique) via la m at rice ex t ra c e l l u l a i re - i n t é gri n e s - cy t o s q u e- l e t t e - n oyau [Millwa rd-sadler SJ. et al., ]. W soit non spécifi q u e,via des mécanotra n s- d u c t e u rs : les canaux ioniques,les protéines G et les récep t e u rs tyrosine kinase qui sont situés sur la membrane plasmique [Mobasheri A. e t a l., ]. Ainsi par exemple les contraintes mécaniques modulent la concentration de calcium intrac e l l u l a i re,inositol 3 Phosphat e,ampc et infl u e n- cent l ex p ression d un grand groupe de kinases ( FA K, MAPK) et des gènes de pro t é og ly c a n e s et des gly c a s a m i n og ly c a n e s. Ce qui perm e t d aboutir à une activation tra n s c ri p t i o n n e l l e (synthèse ou dégra d ation des pro t é i n e s ). L a c t ivation des FAK via les intégrines entra î n e une autophosphory l ation du résidu tyro s i n e Cette phosphory l ation libère un site de liaison de fo rte affinité pour les protéines contenant le domaine SH2 (Src ). Les protéines Src vont phosphoryler les autres résidus tyro s i n e s du domaine cat a lytique libérant ainsi de n o u veaux sites de liaisons pour d autres effe c- t e u rs.les protéines effe c t rices à leur tour subir une activation entraînant la mise en route de cascades des voies régulat rices intra c e l l u l a i re s : MAPK (Erk,p rotéine P38 et JNK) qui vont tra n s- c ri re les gènes par activation des pro t é i n e s nu cl é a i res ; P13 kinase : qui joue un rôle dans le processus apoptique ou cy t o s q u e l e t t e. Les pro p riétés du cart i l age étant fonction de l e nv i ronnement mécanique de ce tissu, d e n o m b reux travaux sont actuellement conduits pour la réalisation in vitro d un cart i l age constitué d une mat rice initiale de poly m è res (ie : acide hya l u ro n i q u e,c o l l ag è n e, ) ensemencée par des ch o n d ro cytes ou des cellules souch e s et cultivés dans des conditions de pre s s i o n c o m p at i bles avec la phy s i o l ogie [Fre n kel SR.e t a l., ].Des ap p l i c ations cliniques dev ra i e n t se développer à moyen term e. 4) Conclusion «Un point de vue unique est toujours faux». Paul Va l é r y Comme pour toutes les disciplines biomédical e s,la biomécanique, pour être crédibl e, d o i t p a rticiper à une meilleure compréhension des s i t u ations pat h o l ogiques (ex : t h ro m b o s e,at h é- ro s cl é ro s e,a rt h ro s e,... ).C est pourquoi les évo l u- tions modernes nécessitent une interd i s c i p l i- n a rité entre mécanique,p hy s i q u e,chimie et biologie moléculaire proteomique et génomique.l e s ap p l i c ations de ces re ch e rches dev raient conduire rapidement à la préparation de véri t abl e s biotissus implantables (va i s s e a u x, c a rt i l age ) é l aborés in vitro à partir de supports bio résorb ables ou non, dans un env i ronnement mécanique phy s i o l ogique ou à de nouvelles ap p roches de thérapies cellulaires (cellules souch e s, cellules mu s c u l a i re s,ch o n d ro cy t e s, ). Il est c e rtain que,comme dans tous les domaines de la re ch e rch e,de nombreuses inconnues subsistent donnant tout son sens à la réfl exion du philosophe H.Michaux au siècle dernier : «A ny science cre ates new ignora n c e A ny conscious a new unconscious A ny new acquisition cre ates a new void». U J. - F.S TO LT Z 1 3, 4,A. E L JA A FA R I 1, 3, 4, C.G I G A N T- H U S E L S T E I N 1, 3,N.DE ISLA 1, 3, P. N E T T E R 2, 3 1 mécanique et ingénierie cellulaire et tissulaire (LEMTA ) UMR CNRS-INPL-UHP UMR IFR 111 B i o i n g é n i e rie CNRS-UHP-INPL-CHU - Faculté de Médecine - 4 S e rvice de Th é rapie Cellulaire et Ti s s u l a i re CHU VANDŒUVRE LES NA N C Y N 13 - PAG E 4 - LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

5 Influence des déformations cycliques et statiques sur le métabolisme du cartilage art i c u l a i re Les cellules du cart i l age art i c u l a i re,les ch o n d ro cy t e s,sont soumises à des stress mécaniques cy cliques (march e, c o u rse) et à des stress parfois statiques et importants (sports intenses comme le ru g by,l h a l t é ro p h i l i e ).Les fo rces qui s exe rcent sur le cart i l age peuvent aller jusqu à p l u s i e u rs millions de Pascal au niveau de la hanch e.nous savons depuis plusieurs années que l activité métabolique des ch o n d ro cytes art i c u l a i res est fo rtement influencée par la ch a rge m é c a n i q u e,de sorte que la stru c t u re du cart i l age,sa composition et ses pro p riétés biomécaniques sont cap ables de s adapter aux demandes physiques du corp s. De nombreuses ap p ro ches ont été utilisées pour étudier in vitro l impact de la pression hy d ros t atique sur le métabolisme des ch o n d ro cy t e s et l activité de biosynthèse du tissu cart i l agin e u x.les systèmes employés mettent en œuvre des cultures de cellules en monocouche ou en gel tri d i m e n s i o n n e l, des explants de cart i l age et ont re c o u rs à des pressions mécaniques ou hy d ro s t at i q u e s, cy cliques ou continu e s, d e fréquence et d amplitude va ri é e s.la synthèse des données obtenues est parfois difficile à réalis e r. C ependant un certain nombre de mécanismes généraux peuvent se dégager à part i r de ces observations ex p é ri m e n t a l e s.ils perm e t- tent d une part de mieux compre n d re la phy s i o- p at h o l ogie art i c u l a i re et d ap p o rter des solutions thérapeutiques mieux adaptées aux maladies de l art i c u l at i o n, et d autre part d en- v i s ager la création de biomat é riaux aux pro p ri é- tés biomécaniques ap p ro p ri é e s,ceci afin de t ra n s f é rer des ch o n d ro cytes ou des cellules m é s e n chy m ateuses souches et de réparer le c a rt i l age (ingénierie tissulaire ). C h a r ge cyclique et m o u vement d eau : le mécanisme de nutrition du cart i l age. Il faut rap p e l e r,en premier lieu,que le cart i l age est composé d une seule cellule, le ch o n d rocy t e, qui vit de façon hy p oxique (1 à 7% d O 2 s u ivant la pro fo n d e u r, c o n t re 21% dans l atm o s p h è re norm a l e ). Du fait de l absence de va s c u l a ri s at i o n,le cart i l age ne peut être nourri que par l ap p o rt de nu t riments de fa i ble poids m o l é c u l a i re,a cheminés à partir du liquide synovial par diffusion au trave rs de la mat rice ex t rac e l l u l a i re. L ap p o rt de ces métabolites se fa i t grâce aux mouvements de l eau entre le cart i- l age et la cavité synov i a l e,eux-même induits par les pressions cy cliques qui s exe rcent sur le tissu ( Fi g. 1 ). On sait qu une grande quantité d eau est fixée par les agrécannes à l intérieur de la Fi g.1 : Les ch a rges cy cliques provo q u e n t un mouvement de l eau dans le cart i l age, p e rmettant l élimination des déch e t s m é t aboliques des ch o n d ro cytes et leur ap p rovisionnement en nu t ri m e n t s. A l t é rations du mécanisme dans l art h ro s e. Fi g.2 : Les fo rces qui s exe rcent sur le cart i l age défo rment les ch o n d ro cy t e s.les ch a rges limitées sur le cart i l age entraînent une défo rm ation des cellules de la couche superficielle du cart i l age.l e s ch a rges élevées provoquent une défo rm ation plus import a n t e,comme dans le cas d une hanch e dy s p l a s i q u e.e n fi n, des fo rces de cisaillement peuvent s exe rcer sur le cart i l age,p rovoquant un é t i rement lat é ral des ch o n d ro cy t e s.ces ch a n gements morp h o l ogiques s accompagnent de va ri ations de la composition de la mat rice cart i l agineuse et du métabolisme des ch o n d ro cy t e s. N 13 - PAG E 5 - LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

6 m at rice ex t ra c e l l u l a i re, c o n f é rant au cart i l age ses pro p riétés re m a rq u ables de visco-élacticit é. De ce fa i t,l o rsque le cart i l age n est pas sous p re s s i o n, la perm é abilité et le mouvement de l eau sont re l at ivement fa i bl e s.par contre,l o rs q u e la ch a rge interv i e n t,un mouvement d eau s obs e rve ve rs le liquide synovial et ve rs la péri p h é ri e du volume concerné par la pre s s i o n,e n t ra î n a n t à l ex t é rieur du tissu les déchets métab o l i q u e s des ch o n d ro cy t e s,notamment l acide lactique. L o rsque la ch a rge cesse,un flux inve rse se crée du liquide synovial ve rs le cart i l age, a m e n a n t avec lui les nu t riments nécessaires au fo n c- tionnement cellulaire,en particulier le glucose. Dans les pat h o l ogies ostéo-art i c u l a i res telles que l art h rose et la polya rt h rite rhumat o ï d e,l e d é gra d ation du cart i l age s accompagne d une d i m i nution sensible de la concentration en p ro t é og ly c a n n e s,qui de surc ro î t, ont un poids m o l é c u l a i re réduit. De ce fa i t, le mouve m e n t d eau provoqué par une ch a rge ne s exe rce plus m a j o ri t a i rement ve rs le liquide synovial mais dans toutes les dire c t i o n s.par ailleurs,les mouvements inve rses lors de la suppression de ch a r- ge se font également de façon désord o n n é e.l a présence d œdème entraîne généralement une d é s o rga n i s ation du tissu. La pression hy d ro s t a t i q u e régule la production de matrice dans le cart i l age. D i ff é rentes ap p ro ches ex p é rimentales sont utilisées pour étudier l influence qu ont les ch a rge s sur la composition du cart i l age et ses pro p ri é- tés biomécaniques : l a n a lyse du cart i l age luim ê m e, n o rmal ou art h ro s i q u e, l étude in vitro d é chantillons de cart i l age soumis à des pre s- sions cy cliques ou stat i q u e s,ou encore des cultures de ch o n d ro cytes maintenus en monocouche ou en gel tridimensionnel (algi n ate par ex. ) et soumis aux mêmes stre s s. L hypothèse de d é p a rt est que la pression qui s exe rce sur le c a rt i l age défo rme les ch o n d ro cytes et entra î n e une altération du métabolisme cellulaire (Fi g. 1 ).Par exe m p l e,dans une hanche dy s p l a s i q u e, il est pro b able que le stress mécanique est plus é l evé et la défo rm ation des ch o n d ro cytes plus i m p o rt a n t e.il existe également des fo rces de cisaillement qui étirent les ch o n d ro cy t e s. P l u s i e u rs observations soutiennent cette hy p o- thèse au niveau de la hanche : (1) la couch e s u p e r ficielle du cart i l age,qui subit le plus gra n d é t i re m e n t,contient principalement du collag è- n e,(2) les couches les plus pro fondes qui sont soumises principalement aux fo rces compre s- s ive s,contiennent plus de pro t é og ly c a n n e s,( 3 ) dans les hanches dysplasiques il y a présence de collagène de type I, c a ra c t é ristique des tendons et normalement absent du cart i l age, (4) les hanches dysplasiques ont un gra d i e n t de stress plus grand sur le bord lat é ral de l acet abu l u m, d où une plus grande vitesse du fl u x de liquide interstitiel et une plus grande défo r- m ation du cart i l age. D une manière généra l e, une compression mécanique stat i q u e,de nive a u p hy s i o l ogi q u e,d i m i nue la synthèse de pro t é o- g lycannes et de collagène dans des explants de c a rt i l age in vitro.ceci serait dû au fait que l osm o l a rité ou les concentrations de pro t é og lycannes augmentent à cause de la sortie du liquide interstitiel hors de la mat rice (Fi g. 2 ). U n e ap p l i c ation de longue durée supéri e u re à 20 M Pa supprime aussi la synthèse de mat ri c e, p ro b ablement à cause d une réduction de l act ivité gly c o lytique (moins de production de l a c t ate et moins de consommation d O 2 ). Au c o n t ra i re, une compression cy clique stimu l e l a c t ivité métabolique et la synthèse des pro t é o- g lycannes (Fi g.3 ). Fi g.2 : E ffets de l osmolarité et du ph sur des ch o n d ro cytes en culture.l o s m o l a rité et le ph du liquide entourant les ch o n d ro cytes dans la m at rice cart i l agineuse va rient en fonction de la p re s s i o n.il s ensuit des modifi c ations du taux de lactate produit et de l oxygène consommé par les ch o n d ro cy t e s.des ch o n d ro cytes isolés ont été incubés à diff é rentes osmolari t é s,à des ph va ri ables et à des pressions hy d ro s t at i q u e s c roissantes pendant 4 h (Lee et al., B i o r h e o l ogy 2002,39 : ). N 13 - PAG E 6 - LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

7 Les stress de cisaillement induisent la pro d u c t i o n d oxyde nitrique (NO). Des ex p é riences menées sur des ch o n d ro cy t e s a rt h rosiques montrent que des stress de cisaillement sont cap ables d induire la production de N O,par activation de la NO synthase inductibl e ( Fi g.4 ). O r,on sait que le NO,l o rsqu il est fo rm é en quantité ex c e s s ive,peut exe rcer des effe t s d é l é t è res sur le cart i l age art i c u l a i re, en stimulant la dégra d ation enzymatique des composants mat riciels et en diminuant la synthèse de ces dern i e rs.a cet éga rd, il est démontré que les fo rces de cisaillement qui accroissent la p roduction de NO inhibent également la synthèse de collagène et de pro t é og lycannes (Fi g.5 ). Les stress mécaniques agissent sur le ch o n d rocyte par l interm é d i a i re de la mat rice cart i l agineuse et mettent en jeu de nombreuses vo i e s de signalisat i o n. Les pressions qui défo rment la mat rice induisent un grand nombre de signaux qui sont tra n s- mis aux cellules par l interm é d i a i re des stru c- t u res membra n a i res de commu n i c ation : i n t é- gri n e s, p ro t é og lycannes de surfa c e, r é c ep t e u rs de l acide hya l u ronique (CD 44,en part i c u l i e r ), r é c ep t e u rs de fa c t e u rs de cro i s s a n c e, c a n a u x i o n i q u e s,e t c.( Fi g. 6 ). Bien que ces voies inter- Fi g.3 : Les ch a rges cy cliques exe rc e n t g é n é ralement un effet stimulant sur la p roduction de mat rice cart i l agi n e u s e.d e s ch o n d ro cytes de cart i l age de genou cultiv é s en monocouche ont été soumis à une p ression hy d ro s t atique de 1,5 et 10 Mpa à une fréquence de 1 Hz pendant 4 h par jour pendant 1 jour (4 x 1) ou 4 h par jour pendant 4 j (4 x 4) (Ikenoue et al.,j.o rt h o p Res 2003,21 : ). Fi g.4 : Les stress de cisaillement stimu l e n t la production de NO par les ch o n d ro cy t e s a rt h ro s i q u e s.des ch o n d ro cytes art h ro s i q u e s ont été cultivés en monocouche et soumis à un stress de cisaillement par flux liquide l a m i n a i re (viscosimètre conique,200 rp m, 1,64 Pa pendant 2,6 et 24 h).l a dd i t i o n d un inhibiteur de la production de NO,le N- é t hyl amino arginine (L-NA M E ),s u p p ri m e l e ffet (Lee et al.,j Orthop Res 2002, 2 0 : ). Fi g.6 : S chéma montrant la multitude de voies de signalisation par lesquelles la ch a rge peut exe rcer ses effets sur l ex p ression des gènes chez le ch o n d ro cy t e. FAK : «Focal adhesion kinase», Hsp 70 :«H e at shock protein 70»,IL-4 : I n t e rl e u k i n e - 4, IL-6 : I n t e rl e u k i n e - 6,i N O S :«i n d u c t i ble NO s y n t h a s e»,ip3 : inositol 3-phosphat e, M M P s : M é t a l l o p ro t é a s e s,pge2 : P ro s t aglandine E2,TIMPs : «Ti s s u e I n h i b i t o rs of MetalloPro t e a s e s» (Urban JPG, B i o r h e o l ogy 2000,37 : ). N 13 - PAG E 7 - LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

8 Fi g.7 : Fo rm ation in vitro de cart i l age art i c u l a i re,avec ou sans pression interm i t t e n t e.des ch o n d ro cytes bovins ont été cultivés dans des hy d rogels d aga ro s e,sans pression («f re e - swe l i n g» FS) ou avec une pression défo rmante intermittente (10%,1 Hz,1 h on/1 h off,3 h par j o u r,5 jours par semaine pendant 2 mois ; «d e fo rm ational loading» DL).Deux densités cellulaires et deux concentrations de sérum de ve a u fœtal (FBS) ont été utilisées.le cart i l age fo rmé sous pression intermittente s est montré plus dense et plus résistant (Hung et al.,annals of Biomedical Engi n e e ring 2004,3 2, ) agissent d une manière qui reste à préciser,n o u s s avons qu elles mettent en œuvre des seconds m e s s age rs, s o u vent des pro t é i n e s - k i n a s e s, q u i vont constituer des cascades d activation (par p h o s p h o ry l ation de certains résidus d acides Fi g.5 : Les stress de cisaillement p rovoquent une réduction de la synthèse de collagène et d agr é c a n n e,médiée par la production de NO.Dans les mêmes conditions que précédemment,l e s ch o n d ro cytes répondent aux fo rces de cisaillement par une diminution de la p roduction de collagène et d agr é c a n n e. La présence de l inhibiteur de NO s u p p rime le phénomène (Lee et al.,j O rthop Res 2002,2 0 : ). a m i n é s ).Ceci va aboutir au niveau du noyau à l a c t ivation d une famille de fa c t e u rs de tra n s- c ription qui,en se fixant sur des séquences spécifiques des pro m o t e u rs géniques, c o n t r ô l e ro n t l a c t ivité de tra n s c ription de nombreux gènes, y compris ceux qui codent pour les molécules m at ricielles (collag è n e,p ro t é og ly c a n n e s ). La mécanobiologie doit influencer l ingénierie du c a rt i l age art i c u l a i re. De nombreuses ap p ro ches tech n o l ogiques sont d é veloppées actuellement afin d obtenir du c a rt i l age art i c u l a i re in vitro,dans la pers p e c t ive de pouvoir réparer des lésions tra u m atiques ou a rt h ro s i q u e s.pour cela, des ch o n d ro cytes sont c u l t ivés pendant plusieurs semaines dans des b i o r é a c t e u rs,à l intérieur d un mat é riau biocomp at i ble (algi n at e,ch i t o s a n e,acide hya l u ro n i q u e, e t c.) et en présence d un milieu de culture ap p ro p rié contenant des fa c t e u rs cro i s s a n c e. Ces méthodes permettent d obtenir un tissu p ro che du cart i l age en ce qui concerne la composition en eau, c o l l agène et pro t é og lyc a n n e.c ep e n d a n t,pour que le cart i l age puisse présenter des pro p riétés mécaniques comparables à celle d un cart i l age norm a l,il est préférable qu il soit fo rmé dans des conditions de p ression cy clique analogues à celles qu il subit h ab i t u e l l e m e n t. Les données récentes de la m é c a n o b i o l ogie commencent donc d influencer les protocoles d ingénierie tissulaire appliqués au cart i l age art i c u l a i re. Ainsi des études sont conduites dans des gels contenant des ch o n d ro cy t e s,et soumis à diff é rentes sort e s de ch a rge mécaniques.( Fi g.7 ) Conclusions et Pe r s p e c t i ve s Le stress mécanique est un régulateur important du comportement du ch o n d ro cyte et peut s t i muler ou inhiber un grand nombre de ses réponses cellulaire s.il devient évident que les réponses du ch o n d ro cyte aux signaux mécaniques sont très complexes :quand le cart i l age est en ch a rge, le ch o n d ro cyte reçoit plusieurs signaux diff é rents de façon simu l t a n é e.c e u x - ci ont des intensités,des fréquences et des durées va ri abl e s. Le ch o n d ro cyte doit intégrer l ens e m ble de ces signaux et répondre de fa ç o n ap p ro p ri é e. La mécanobiologie pourra peut-être,dans l aven i r,nous perm e t t re de répondre à certaines questions qui restent posées : W le stress mécanique joue-t il un rôle dans l étiol ogie de l art h ro s e? W la mécanobiologie du cart i l age peut-elle ap p o r- ter des enseignements pour adapter l hy gi è- ne de vie des sportifs et des patients art h ros i q u e s? W comment développer un cart i l age de réparation qui puisse soutenir les ch a rges hab i t u e l- les d une art i c u l at i o n? U J. - P. P U J O L L ab o rat o i re de Biochimie du Tissu Conjonctif Faculté de Médecine Niveau CAEN Cedex N 13 - PAG E 8 - LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

9 S t ress mécanique et métabolisme é n e rgétique du cartilage Les ch a rges exe rcées sur le cart i l age provoquent des altérations du métabolisme de ce tissu, par l interm é d i a i re de la gly c o lyse et de la production d AT P,avec des conséquences import a n t e s sur la synthèse de mat ri c e.l équipe du Pr Jill Urban résume ici les principaux aspects de ces m é c a n i s m e s,que les travaux de son lab o rat o i re ont contri bué à préciser ces dern i è res années. Fi g u re 1.R ep r é s e n t ation sch é m atique du m é t abolisme énergétique du ch o n d ro cy t e. Les ch o n d ro cytes ont pour pri n c i p a l e s o u rce d énergie le glucose et pro d u i s e n t l ATP presque entièrement par la gly c o ly s e a n a é robie et aéro b i e,un processus qui n utilise pas l oxygène et produit 2 molécules d ATP et 2 molécules d acide lactique par glucose consommé.l e s ch o n d ro cytes consomment l oxygène à très fa i ble taux mais son role n est pas cl a i r. I n t ro d u c t i o n Le rôle du cart i l age en tant que surface mécaniquement défo rm able et dépourvue de fri c- t i o n,sur les extrémités des os longs,dépend de l a c t ivité des cellules de ce tissu, les ch o n d rocy t e s.ces cellules synthétisent et maintiennent des macromolécules telles que les agr é c a n n e s et le collagène qui fo rment le tissu et déterm i- nent ses pro p riétés mécaniques.l un des pri n- cipaux régulat e u rs de l activité des ch o n d rocy t e s, et donc de la composition du cart i l age, est la ch a rge mécanique.le cart i l age art i c u l a i- re subit régulièrement des fo rces élevées et tra n s- i t o i re s,au cours des mouvements normaux tels que monter un escalier ou se lever d une ch a i- s e. La pression dans le cart i l age peut s éleve r jusqu à 20 Mpa (200 at m o s p h è re s ).Il est évident que les ch o n d ro cytes sont cap ables de répond re à ces signaux mécaniques car les zones de ch a rge du cart i l age sont plus épaisses et plus d e n s e s,et présentent une composition diff é- rente des zones non portantes de la même art i- c u l at i o n.de plus,l absence prolongée de pre s- sion conduit rapidement à une diminution de l épaisseur du cart i l age.il y a donc un intérêt c roissant pour déterminer comment les ch a r- ges mécaniques influencent la synthèse et le re n o u vellement de la mat ri c e.de nombre u s e s études ont été réalisées afin de connaître les voies par lesquelles les signaux mécaniques i n fluencent l ex p ression des gènes.c ep e n d a n t, il est important de rappeler que d autres vo i e s de signalisation mécanique existent éga l e m e n t. Nous examinons ici la manière dont les stre s s mécaniques affectent le métabolisme énerg é- tique et, par là-même, i n fluencent l activité du ch o n d ro cyte et la stru c t u re du cart i l age. Comme toutes les cellules,les ch o n d ro cytes utilisent l adénosine tri p h o s p h ate (ATP) comme source d énergi e. C ep e n d a n t, c o n t ra i rement à la p l u p a rt des cellules,les ch o n d ro cytes pro d u i s e n t leur énergie principalement par la gly c o lyse ;i l s consomment le glucose et produisent l acide lactique à taux élev é s,même en présence d air ( Fi g u re 1).La voie gly c o lytique ne consomme pas d oxygène et les ch o n d ro cytes peuvent donc s u rv iv re sans oxygène pendant plusieurs jours, bien qu ils meurent rapidement en absence de g l u c o s e. M a l gré ces observat i o n s,les ch o n d rocytes consomment un peu d ox y g è n e,à un taux fa i ble (2-5% de la consommation des autres types c e l l u l a i res comme les cellules du foie ou du re i n ). Comment ils utilisent l oxygène n est pas cl a i r, mais l oxygène est indispensable pour un bon fo n c t i o n n e m e n t, la production d ATP ch u t a n t rapidement en hy p ox i e. Le cart i l age art i c u l a i re est ava s c u l a i re et les nu t riments tels que l oxygène et le glucose at t e i g n e n t les ch o n d ro cytes principalement par diff u s i o n à trave rs la mat rice du cart i l age,à partir du liquide synovial et de l os sous-ch o n d ra l. L a c i d e l a c t i q u e,qui est un facteur important déterm i- nant le ph tissulaire,est produit par les cellules et éliminé par un trajet inve rs e.du fait de l équil i b re entre la diffusion et l activité métab o l i q u e, des gradients de concentration se déve l o p p e n t dans le cart i l age, de sorte que les concentrations en oxygène et en glucose sont signifi c at i- vement plus basses dans les zones pro fo n d e s que dans le liquide synov i a l.i nve rs e m e n t,l a c i- de lactique se tro u ve concentré dans la pro fo n- deur du tissu.d o n c,comparé à la zone superfic i e l l e,le milieu entourant les ch o n d ro cytes de la zone pro fonde est pauvre en oxygène et en glucose et a un ph bas. La disponibilité des nu t riments et des métab o- lites exe rce une grande influence sur l activ i t é de la gly c o lyse du ch o n d ro cy t e,sa pro d u c t i o n d acide lactique,et donc les taux d ATP ch u t e n t d u rant l hy p oxie et des conditions de ph acide. De telles conditions réduisent aussi le taux de synthèse mat ricielle et un grand nombre d études ont montré que les fa c t e u rs qui causent une réduction de la concentration intra c e l l u l a i re d ATP en supprimant la gly c o lyse induisent aussi une baisse correspondante de la pro d u c t i o n de mat rice (Fi g.2 ). D o n c,les fa c t e u rs qui régulent la gly c o lyse et le re n o u vellement de l AT P a ffectent également la composition et les p ro p riétés mécaniques du cart i l age. Fi g u re 2.R e l ation entre les va ri ations de l activité gly c o lytique et la production de mat ri c e. Des fa c t e u rs tels que les ch a n gements du ph ex t ra c e l l u l a i re et de l osmolart i é, q u i p rovoquent des altérations des taux d ATP intra c e l l u l a i re,induisent un ch a n ge m e n t c o rrespondant dans le taux d incorp o ration de sulfat e. N 13 - PAG E 9 - LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

10 Fi g u re 3. Vue sch é m atique des ch a n gements de l e nv i ronnement du ch o n d ro cyte induits par la ch a rge.la ch a rge défo rm e la mat rice et les cellules, p rovoquant une a u g m e n t ation de la p ression hy d ro s t atique et une lente expulsion de l i q u i d e.comme du liquide s é ch ap p e,la concentrat i o n des ions libres s accroît et cause des altérations de la composition intra c e l l u l a i re qui re flètent celles de l e nv i ro n n e m e n t ex t ra c e l l u l a i re.tous ces signaux peuvent affe c t e r l a c t ivité cellulaire et donc la production des composants mat riciels du c a rt i l age. Tr a n s p o rt membranaire et métabolisme du chondro c y t e La disponibilité du glucose cytosolique et l élim i n ation efficace de l acide lactique sont des fa c t e u rs importants qui affe c t e ront l activ i t é de la gly c o lyse dans les ch o n d ro cytes art i c u- l a i re s. Comme toutes les cellules, les ch o n- d ro cytes qui ex p riment une va riété de pro t é i- nes de tra n s p o rt membra n a i re pour fa c i l i t e r l entrée des nu t riments et la sortie de pro d u i t s de dégra d at i o n.ces protéines de tra n s p o rt sont g é n é ralement spécifiques pour le soluté en question et peuvent faciliter les flux tra n s- m e m b ra n a i res passifs (gradients électro ch i- m i q u e s,comme la diffusion) ou actifs (contre un gradient électro ch i m i q u e, nécessitant un ap p o rt d énergi e ).C e rtaines protéines membran a i res de tra n s p o rt fonctionnent comme des «c a n a u x» qui permettent la diffusion de de grandes quantités de soluté au trave rs de pore s hy d rat é s.a l t e rn at ive m e n t,des «t ra n s p o rt e u rs» se lient à leurs substrats tra n s p o rtés et subissent un ch a n gement confo rm at i o n n e l,le déplaçant d une face de la membrane à l autre.l e t ra n s p o rt par l interm é d i a i re d une molécule peut être actif ou passif. Nous avons identifié des mécanismes de t ra n s p o rt membra n a i res spécifiques pour le glucose et l acide lactique dans la membra n e des ch o n d ro cytes art i c u l a i re s.la pénétrat i o n du glucose dans le cytosol se fait seulement par un processus de diffusion fa c i l i t é e.ceci est assuré par des membres de la famille des pro t é i n e s de tra n s p o rt du glucose (GLUT) qui sont bien c a ra c t é risées et permettent le tra n s p o rt du glucose dans de nombreux types cellulaires diff é- re n t s. Chez les ch o n d ro cy t e s, les isofo rm e s G L U T 1 et 3 sont les plus ex p ri m é e s.g L U T 1 se lie au glucose très fa i blement et,d o n c,m é d i e l ab s o rption de glucose seulement lorsque les c o n c e n t rations de glucose sont élev é e s. Au c o n t ra i re,g L U T 3 a une grande affinité pour le glucose et est cap able d assurer le tra n fe rt du glucose quand la concentration ex t é ri e u re est fa i bl e.en corr é l ation avec le pro fil moléculaire des isofo rmes de GLUT présentes dans les ch o n- d ro cytes art i c u l a i re s, l ab s o rption de glucose ra d i o m a rqué est un processus passif de haute a ffinité qui peut être inhibé par la phlorétine, un inhibiteur spécifique de GLUT.C o n t ra i re m e n t au tra n s p o rt du glucose,l acide lactique doit ê t re éliminé des ch o n d ro cytes art i c u l a i res afi n d éviter une acidifi c ation ex c e s s ive. L a c i d e lactique est presque entièrement dissocié au ph phy s i o l ogique et, comme dans les autre s types cellulaire s,est tra n s p o rté à l ex t é rieur de la cellule par des membres de la fa m i l l e p rotéique de tra n s p o rt e u rs monocarbox y l at e ( M C T ). Chez les ch o n d ro cytes art i c u l a i re s,l e MCT fi xe et tra n s p o rte des protons et des ions l a c t ate avec une stoech i o m é t rie 1 :1.On pense qu une isofo rme de MCT de fa i ble affi n i t é,m a i s de haute cap a c i t é,est re s p o n s able (peut-être M C T 4 ).Ceci est en accord avec les hauts nive a u x de métabolisme anaérobique des ch o n d ro cytes art i c u l a i re s,qui nécessite l élimination de grandes quantités d acide lactique. Les ch o n d ro cytes ex p riment aussi, comme les a u t res cellules, des systèmes de tra n s p o rt m e m b ra n a i re permettant de réguler leur ph cy t o s o l i q u e. En plus de la production de gra n- de quantités d acide lactique,les ch o n d ro cy t e s sont soumis à un constante fuite de protons ve rs l i n t é rie ur un gradient électro chimique de p ro t o n s,d i rigé ve rs l intéri e u r,existe à trave rs la m e m b rane du ch o n d ro cy t e. En conséquence, tout processus qui ex t rait des protons du cy t o- sol des ch o n d ro cytes doit être un tra n s p o rt actif qui nécessite une source d énergi e.les ch o n- d ro cytes art i c u l a i res ont deux systèmes diff é- rents pour ceci : une H+-AT Pase et un Na+-H+ a n t i p o rt expulsent des protons à partir du cy t o- s o l. Le premier système repose sur l hy d ro ly s e de l ATP pour la fo u rn i t u re d énergie tandis que le dernier utilise le gradient électro ch i m i q u e des ions Na+,d i rigé ve rs l intéri e u r. Etant donné la sensibilité du métabolisme des ch o n d ro cytes à la disponibilité en glucose et aux fa c t e u rs tels que la composition cy t o s o- l i q u e,les altérations de l activité des systèmes t ra n s p o rt e u rs auront inévitablement un impact i m p o rt a n t. Comme exemple de ces effe t s, l a réponse de l ab s o rption du glucose aux ch a n- gements de la pression hy d ro s t atique est considérée avec plus de détail dans les paragrap h e s s u iva n t s. Comment les chondro c y t e s détectent les charge s m é c a n i q u e s? Les ch o n d ro cytes ne répondent pas dire c t e- ment aux va ri ations des signaux mécaniques, ils répondent plutôt aux ch a n gements de leur e nv i ro n n e m e n t,p roduits par l ap p l i c ation de la ch a rge.quand le cart i l age est en ch a rge,la mat rice ex t ra c e l l u l a i re et les cellules se défo rm e n t, la pression hy d ro s t atique augmente et du liquide est expulsé à l ex t é rieur (Fi g u re 3).Le degré de ces ch a n gements dépend du régime de pre s- s i o n.les ch a rges cy cliques augmentent la pre s- sion rap i d e m e n t, d é fo rment momentanément les cellules et causent des pics courts de fl u x liquide sans perte de liquide et,en généra l,s t i mulent la biosynthèse.les ch a rges stat i q u e s,qui en g é n é ral dépriment la synthèse du cart i l age,ch a s- sent du liquide,p rovoquant une augmentat i o n de la concentration des pro t é og lycanes et de l o s m o l a rité ainsi qu une chute de ph,et une d é fo rm ation lente du tissu. Ces ch a n gements altèrent l ex p ression génique et affectent également la gly c o ly s e. La ch a rge s t atique en particulier provoque une chute des taux d ATP intra c e l l u l a i re ; celle-ci est corr é l é e d i rectement avec une diminution de la pro d u c- tion des molécules qui fo rment la mat rice du c a rt i l age. Comment le stress mécanique conduit à une chute de l activité gly c o ly t i q u e? D i ff é rent mécanismes ont été proposés pour expliquer les effets sur le métabolisme du cart i- l age induits par la ch a rge et médiés par l AT P. Sous l action d une ch a rge stat i q u e,du liquide est expulsé du cart i l age,ce qui accroît les ions H +, Na+ et l osmolari t é,et par là-même altère la N 13 - PAG E LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

11 composition ionique intra c e l l u l a i re et le ph. L a c t ivité des enzymes de la gly c o lyse est sensible au ph cytosolique et à la composition ionique. Les ch a n gements de la composition ionique i n t ra c e l l u l a i re résultant de la ch a rge stat i q u e p e u vent donc conduire à une chute d activ i t é des enzymes gly c o lytiques et à une réduction de la concentration intra c e l l u l a i re d AT P. De plus la pression hy d ro s t atique est maintenant connue pour modifier un grand nombre de processus de tra n s p o rt membra n a i re. U n e o b s e rvation part i c u l i è rement importante pour la régulation du métabolisme du cart i l age est l e ffet inhibiteur produit par la pression hy d ros t atique sur le tra n s p o rt du glucose dans les é ry t h ro cy t e s.nos études montrent que les pre s- sions hy d ro s t atiques élevées ( ATA) inhibent également le tra n s p o rt du glucose dans les ch o n d ro cy t e s.comme le tra n s p o rt du glucose dans la cellule est la pre m i è re étape régulat rice de la voie de la gly c o lyse (Fi g u re 1),s o n inhibition peut expliquer la réduction de la g ly c o lyse observée sous de telles pre s s i o n s. D o n c,bien que ces mécanismes n aient pas été d i rectement étudiés,ils ap p a raissent comme de bonnes bases pour proposer que la ch a rge s t atique et la pression hy d ro s t atique élevée puissent inhiber la gly c o ly s e,ceci par des mécanismes diff é re n t s.en conséquence,la chute rap i- de de la synthèse de mat rice observée sous ces deux régimes de ch a rge pourrait résulter dire c- tement de la synthèse réduite d AT P. C o n c l u s i o n s Il est maintenant clair qu il n y a pas qu un pro c e s- sus re s p o n s able de la re l ation entre la ch a rge mécanique et la biosynthèse du ch o n d ro cy t e. Même de simples signaux comme la pre s s i o n hy d ro s t atique peut affecter plusieurs pro c e s s u s d i ff é rents ; la pression appliquée aux ch o n d rocytes peut activer les tra n s p o rt e u rs et les pompes m e m b ra n a i res et affecter l orga n i s ation intern e du ch o n d ro cyte en modifiant les éléments du cy t o s q u e l e t t e.ces ch a n gements peuvent exe r- cer des effets en aval sur le comportement du ch o n d ro cy t e,conduisant finalement à une altération du pro fil des molécules fo rmées par la c e l l u l e.nous sugg é rons ici que certaines conditions de ch a rge provoquent une chute du taux de gly c o lyse et donc des concentrations intrac e l l u l a i res d AT P,et que cette diminution de l AT P est directement liée à la rapide inhibition de la p roduction de mat rice observée dans ces conditions de ch a rge.d o n c,bien qu il soit clair que le s t ress mécanique puisse altérer l ex p re s s i o n g é n i q u e,d a u t res voies peuvent aussi être impliquées dans les ch a n gements de biosynthèse qui résultent de la ch a rge mécanique. U Jo s eph A. B row n i n g,jill P.G.U r b a n, R o b e rt J. Wi l k i n s U n ive rsity Lab o rat o ry of Phy s i o l ogy,pa rks Road,O x fo rd,ox 1 3 P T,G B Le Role des Récepteurs NMDA dans la Mécanostransduction des C h o n d rocytes Art i c u l a i res Humains La transmission des pressions au niveau des cellules qui fo rment le cart i l age,les ch o n d ro cy t e s, met en jeu des récep t e u rs va riés présents sur la surface cellulaire.le Pr Salter,d E d i n b o u rg, résume ici les études récentes menées par son équipe sur des récep t e u rs déjà décrits dans lse système nerveux central et péri p h é rique et que l on re t ro u ve chez les ch o n d ro cytes où ils jouent un rôle dans la mécanotra n s d u c t i o n. Nos études in vitro ont montré précédemment qu une stimu l ation mécanique des ch o n d rocytes art i c u l a i res humains normaux en culture m o n o c o u che provoquait l activation de l intégrine a5ß1et d une cascade de signalisat i o n i n t ra c e l l u l a i re impliquant la kinase d adhésion focale (FAK) et la protéine kinase C (PKC).C e c i e n t raîne la libération d interleukine-4 par les ch o n d ro cy t e s.chez les ch o n d ro cytes norm a u x, la réponse à cette stimu l ation mécanique se c a ra c t é rise par un taux plus élevé de l ARN m e s s ager de l agrécanne et une diminution des n iveaux de l ARN messager de la métalloprotéinase 3 (MMP-3).Si ce mécanisme est présent in vivo,cela favo ri s e rait le maintien de la stru c- t u re et de la fonction du cart i l age.cette réponse de type anabolique n est cependant pas o b s e rvée quand des ch o n d ro cytes art h ro s i q u e s sont soumis,in vitro,à un régime de stimu l at i o n mécanique identique. Comme la substance P, un neuro m é d i at e u r, a été impliqué dans la mécanotransduction ch e z les ch o n d ro cytes norm a u x, nous avons étudié les rôles potentiels de molécules neurales assoc i é e s.l ex p ression et la fonction de la substance P sont étroitement associées au glutamat e, un neuro t ransmetteur majeur des systèmes n e rveux central et péri p h é ri q u e.celui-ci agit sur les cellules en interagissant avec des membre s de la famille du récepteur glutamate tels que le N - m é t hy l - D - a s p a rt ate (NMDA ),l acide amino-3- hy d rox y m é t hy l i s ox a zo l e p ro p i o n i q u e (APMA) et les récep t e u rs glutamate métab o- t ro p i q u e s.ces récep t e u rs sont ex p rimés de fa ç o n g é n é rale dans le système nerveux central des m a m m i f è res mais ils sont également présents dans des tissus non-nerveux comme l os, l e pancréas et la peau.des travaux récents ont s u ggéré que les récep t e u rs NMDA pouva i e n t jouer un rôle dans la réponse à la stimu l at i o n mécanique chez les cellules neuronales et les cellules osseuses.n o t re équipe a donc re ch e r- ché la présence de ces récep t e u rs NMDA ch e z les ch o n d ro cytes art i c u l a i res humains et étudié leur rôle dans la mécanotransduction du ch o n- d ro cy t e. L i m mu n o h i s t o chimie sur coupes au cryo s t at a p e rmis de montrer que le cart i l age art i c u l a i re Fi g.1 N 13 - PAG E LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

12 Fi g.2 des art i c u l ations fémorale et tibiale ex p ri m e fo rtement la sous-unité NR1 du récepteur NMDA dans toutes les zones des échantillons norm a u x ou art h ro s i q u e s. L a m p l i fi c ation par RT- P C R ( reve rse tra n s c ri p t i o n - p o ly m e rase chain re a c- tion) avec des amorces spécifiques de la sousunité NR2 du récepteur NMDA montre éga l e- ment que ce composant est ex p rimé chez les ch o n d ro cytes normaux et art h ro s i q u e s.l o rs q u e l on ajoute un agoniste du récepteur NMDA, l e M D L à 20 mm,pendant 5 minutes à des c u l t u res pri m a i res de ch o n d ro cytes humains, on induit une réponse de dépolari s at i o n m e m b ra n a i re chez les cellules normales ou a rt h ro s i q u e s,attestant l ex p ression de récept e u rs NMDA fonctionnels (Fi g.1 ).Au contra i re, l a ddition de NMDA et de gly c i n e,ou de glutam ate et gly c i n e,à des cultures pri m a i res de ch o n- d ro cytes normaux provoque une hy p e rp o l a ris ation membra n a i re,a l o rs que l addition de ces substances à des ch o n d ro cytes art h ro s i q u e s induit une dépolari s ation (Fi g.2 ). Le rôle des récep t e u rs NMDA dans la mécanot ransduction du ch o n d ro cyte a été étudié en estimant l effet de l inhibition pharm a c o l ogi q u e des récep t e u rs glutamate sur la réponse électrop hy s i o l ogique des ch o n d ro cytes normaux à la s t i mu l ation mécanique. L hy p e rp o l a ri s at i o n m e m b ra n a i re de ch o n d ro cytes normaux lors d une stimu l ation de 20 min à 0,33 Hz a été inhibée en pré-incubant les cellules avec 30 mm de C P P, un antagoniste compétitif du récep t e u r N M DA,ou 1 mm de MK801,un antagoniste non compétitif de ce récep t e u r.c ep e n d a n t,dans les mêmes conditions, les antagonistes n ont pas eu d effet sur la dépolari s ation membra n a i re induite par la stimu l ation mécanique chez les ch o n d ro cytes art h ro s i q u e s.les antagonistes du r é c epteur glutamate A M PA / K a i n ate et du récepteur métab o t ropique n ont pas eu d effet sur les réponses électro p hy s i o l ogiques des ch o n d rocytes normaux ou art h ro s i q u e s. Fi g.3 : Mise en évidence des récep t e u rs N M DA chez les ch o n d ro cytes art h ro s i q u e s par immu n o - h i s t o - ch i m i e Ceci démontre pour la pre m i è re fois que des r é c ep t e u rs NMDA fonctionnels sont ex p ri m é s dans le cart i l age art i c u l a i re humain (Fi g. 3) et s u gg è re que ces récep t e u rs puissent avoir un rôle dans la réponse des ch o n d ro cytes norm a u x à la stimu l ation mécanique,en accord avec le rôle similaire qu'ils jouent dans la signalisat i o n mécanique des cellules osseuses et neura l e s. La voie de mécanotransduction activée ch e z les ch o n d ro cytes humains normaux dans ce système in vitro implique l'intégrine ±5ß1, l a substance P et l'interl e u k i n e - 4.Les intera c t i o n s avec les récep t e u rs NMDA peuvent être importantes à diff é rents points de la cascade de signal i s at i o n. La signalisation de l'intégrine peut en e ffet influencer l'activité des récep t e u rs NMDA, en régulant le pro fil d'ex p ression de va riants de ce récepteur (par épissage diff é rentiel des A R N m ),en modulant leur composition en sousu n i t é s,et en influençant leur regroupement («cl u s t e ri n g») et leurs interactions avec le cy t o s- q u e l e t t e. Il a été montré que la sécrétion des n e u rokinines (substance P,n e u rokinines A et B) était induite par le NMDA et que la signalisat i o n par les récep t e u rs NMDA pouvait activer l'exp ression des gènes de cy t o k i n e s.to u t e fo i s,l e s rôles spécifiques des récep t e u rs NMDA dans la m é c a n o t ransduction restent à préciser. C o n t ra i rement aux ch o n d ro cytes norm a u x,l e s ch o n d ro cyte issus de cart i l age art h rosique montrent une réponse de dépolari s ation et ne s e m blent pas augmenter leur taux d'agr é c a n- nes en réponse au stimulus mécanique. L e s raisons expliquant ces diff é rences ne sont pas cl a i res pour l'instant mais ceci pourrait être dû l ' a c t ivité de l'interl e u k i n e - 1 ß.Les diff é rences de réponse électro p hy s i o l ogique des ch o n d ro cytes art h rosiques sugg è rent la présence d'une a l t é ration de la signalisation du récepteur NMDA dans l'art h ro s e,p e u t - ê t re sous l'influence de la voie interl e u k i n e - 1 / N O. U D. M.S A LT E R, M ;O ;WRIGHT ET S. J. M I L LWA R D - S A D L E R D ep a rtment of Pat h o l ogy ; E d i n bu rgh Royal Infi rm a ry,5 1 Little France Cre s c e n t, E d i n bu rg h, EH16 5AS N 13 - PAG E LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

13 «Légiférons» Dans le liv re d'anatomie humaine de G.Pat u ret (Masson 1951) comme dans la plupart des grands traités d'anat o m i e,un ch ap i t re important est consacré à l'anatomie du déve l o p p e- m e n t, c ' e s t - à - d i re à la morp h og é n è s e. Une pro chaine lettre de l'observat o i re du Mouvement sera consacrée à la morp h og é n è s e des membres inféri e u rs pour essayer d'établir un lien entre morp h og é n è s e,m o rp h o l ogie et b i o m é c a n i q u e,c'est à dire entre la fo rme et la fo n c t i o n.un tro u ble de la morp h ogénèse peut e n ge n d rer une dy s p l a s i e,une dy s m o rphie et donc une dy s fonction avec un re t e n t i s s e m e n t sur les stru c t u res ostéo-art i c u l a i re s.l ' e n fant est un être fl u i d e,f ragi l e,i n fl u e n ç abl e,m o d u l abl e, o u ve rt au meilleur comme au pire (A. Dimiglio Masson 1997). Le premier ch ap i t re du traité d'anatomie humaine de G.Pat u re t, est consacré à la morp h og é- n è s e.il rappelle que les cara c t è res morp h o l ogiques sont conditionnés par certains fa c t e u rs h é r é d i t a i res et acquis d'ord re mécanique.l'os est un organe malléable disait Marey.La morp h o- génèse osseuse et art i c u l a i re est en partie fonction du développement mu s c u l a i re. Le développement ostéo-art i c u l a i re obéit à un certain nombre de lois,qu'il nous sembl e i m p o rtant de rappeler : W Loi de Sappey «le point épiphy s a i re ap p a raît d'autant plus tôt que l'épiphyse est destinée à a c q u é rir un volume important». W Loi de Serres (1819) loi de la symétri e,des éminences et des cav i t é s W Loi d'alexis Julien (1892) «Dans les os longs,le point épiphy s a i re qui ap p a raît le plus tôt est toujours celui qui correspond à l'extrémité de l'os qui est le plus important sur le point fonctionnel». W Loi de Beraud c o n c e rnant les épiphyses et le canal nourricier de l'os. W Loi de la croissance de Godin (Maloine 1903) loi de la pubert é,loi des altern a n c e s,l o i des pro p o rt i o n s,loi des asymétri e s. 3 lois nous semblent part i c u l i è rem ent importantes : W Loi de J. Wo l ff (1869) re l at ive à l'arch i t e c t u re osseuse que l'on peut tout à fait étendre à l ' e n s e m ble des tissus conjonctifs «L'os est édifié dans sa forme et sa stru c t u re d'après sa fonction» «Le tissu conjonctif est adapté dans sa forme et sa stru c t u re d'après sa fonction (Lésions ch roniques du Sport éditions Privat 2002 G.S a i l l a n t,j.rodineau et Ch.M a n s at ). W Lois de Delpech (1828) La croissance osseuse est accrue dans les zones de moindres pre s s i o n s,ralentie et diminuée dans les zones de fo rtes pre s s i o n s. W Lois de Sappey (pression) et de Rouvière (surface) concernant le cartilage. L'épaisseur du cart i l age art i c u l a i re est pro p o rtionnelle à la pression subie par unité de surface et elle est pour une même pression en raison inve rse de l'étendue des surfaces qui la s u p p o rt e. Ces grandes lois souvent oubl i é e s,rappellent les liens qui existent entre la fo rme et la fo n c t i o n, l ' i m p o rtance de la fonction cellulaire sans cesse info rmée de son env i ro n n e m e n t, d evant assurer la fo rm ation et la cro i s s a n c e,le re n o u vellement tissulaire et la réparation en cas de lésions. Christian Mansat De la mécanobiologie à l ingénierie tissulaire du cartilage «A paradigm for functional tissue engineering of articular cartilage via applied physiologic deformational loading». Hung CT, Mauck RL, Wang CCB, Lima EG, Ateshian GA. Annal of Biomedical Engineering 2004 ; 32 : Cette revue très intéressante résume l expérience qu ont ses auteurs de l effet des charges physiologiques déformantes exercées sur des hydrogels d agarose à 2% contenant des chondrocytes et préparés dans le but de mettre au point du cartilage ayant des propriétés mécaniques proches du tissu normal (ici du cartilage bovin). Les constructions de cartilage sont soumises à une charge dynamique déformante (déformation de 10%, 1 Hz de fréquence) pendant 3 h par jour (c est-à-dire trois cycles de 1 h de charge et de 1 h de repos) et 5 jours par semaine, ceci sur 8 semaines maximum. Les auteurs montrent, par des analyses biochimiques que le contenu en glycosaminoglycannes atteint 1,74% du poids humide et la teneur en collagène arrive seulement à 2,64% alors pour le tissu normal d origine ces valeurs sont de 2,4% et 21,5%, respectivement. Le rôle du protocole de charge déformante, de la densité d ensemencement des chondrocytes, de la nutrition, de l addition de facteurs de croissance est également discuté. Enfin, dans la perspective d études sur la réparation du cartilage, les auteurs décrivent leurs efforts pour mettre au point des constructions cylindriques comportant deux couches, l hydrogel d agarose contenant les chondrocytes sur du tissu osseux (constructions ostéochondrales) car ils pensent que la présence d un substrat osseux devrait faciliter l intégration lors de l imp l a n t a t i o n. «Dynamic compression of cartilage constructs engineered from expanded human articular chondrocytes» Démarteau O, Wendt D, Braccini A, Jakob M, Schäfer D, Martin I. Biochem Biophys Res Commun 2003 ; 310 : Les auteurs ont étudié l influence du stade de développement des constructions de cartilage, réalisées en cultivant des chondrocytes huamins dans un polymère biodégradable, sur l effet que pouvait avoir la compression dynamique sur le métabolisme des glycosaminoglycannes. La structure tridimensionnelle était constituée d un copolymère de poly(éthylène glycol terephtalate) (PEGT) et de poly(butylène terephtalate) (PBT). La maturation des constructions dépend du temps de culture (3-14 jours) et du donneur. La compression dynamique était appliquée pendant 3 jours : 6 cycles de 2 h de déformation sinusoïdale (5%, 0,1 Hz), suivis de 10 h sans déformation. Dans ces conditions, les variations de la synthèse des glycosaminoglycannes (GAG) sont positivement corrélées au contenu de GAG des constructions avant compression, et montrent un accroissement de la formation de GAG seulement chez les tissus les plus développés. Inversement, aucun de ces changements n est corrélé avec l expression du collagène de type II. Les auteurs en concluent que la réponse des chondrocytes à la compression dynamique ne dépend pas directement du stade de différenciation cellulaire, mais plutôt de la matrice extracellulaire entourant les cellules. N 13 - PAG E LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T

14 La mécanobiologie du cartilage a son congrès annuel depuis 2000 Devant l importance que prend, depuis quelques années, la mécanobiologie pour comprendre les mécanismes qui régulent le métabolisme et les propriétés fonctionnelles des tissus articulaires, un symposium international annuel a été mis en place par le Pr Stoltz (Université de Nancy), dans le cadre de la Société Française de Biorhéologie. Ce congrès se tiendra pour la 4 è m e fois en 2005 à Budapest. Les communications présentées jusqu ici ont fait l objet de deux volumes : Mechanobiology : Cartilage and Chondrocytes (Biomedical and Health Research, vol. 42 et 52, IOS Press Ohmsha, J.-F. Stoltz ed., ISSN : ). Conseil d administration Président : Christian Mansat Secrétaire Général : Michel Mudet Conseil scientifique Président : Michel Mansat Secrétaire : Etienne André Sciences fondamentales : J. -P. Bali, P. Va l d i g u i é, J. -P. Pujol, D. Mitrovic Traumatologie et sports : G. Saillant, F. Bonnel, D. Rivière Hématologie : R. Biermé Rhumatologie : F. Blotman, B. Fournié, M. Wa l d- b u r g e r, E. Vignon, J. Rodineau, B. Mazières Imagerie : J.-J. Railhac Gériatrie : Y. Rolland, C. Jeandel Podologie : C. Huertas Kinésithérapie : A. Lapêtre Psychiatrie : P. Most La cellule en général et la cellule conjonctive en part i c u l i e r,e s t à la fois complexe et simple.c'est un domaine fe rmé cap abl e de pro d u i re à un rythme élevé les réactions chimiques indispens ables à la vie. La membrane autour de la cellule est une barri è re sélective. La cellule contient autant d'atomes que le corps humain contient de cellules ( ) (Lamb J. F.I n gram C. G.- Johnston I.A -.Pitman R.M.- Manuel de P hy s i o l ogie Masson 1990) Le potentiel cellulaire est re n o u velé en perm a n e n c e,elles naiss e n t,v ive n t,vieillissent et meurent et sont donc remplacées par d ' a u t res cellules. La fonction cellulaire essentielle est la synthèse.elle doit assurer l'homéostasie tissulaire.elle est dotée pour réguler cette s y n t h è s e,d'un équipement enzymat i q u e,p ro t é o ly t i q u e,de cy t o- kines et de fa c t e u rs de cro i s- s a n c e.leur nombre augmente sans cesse avec les p rogrès de la re ch e rch e. L'action cellulaire est gérée par son code génétique et par les va ri ations de son e nv i ro n n e m e n t. La cellule conjonctive t i re ses part i c u l a rités de ses potentialités mu l t i p l e s.e l l e d é rive de la cellule mesenchy m ateuse qui après une phase de pro l i f é rat i o n, d e d i ff é re n c i ation et de mat u rat i o n, peut évoluer ve rs diff é re n t s types cellulaire s,o s s e u x,c a rt i l agi n e u x,mu s c u l a i re s,t e n d i n e u x et liga m e n t a i re s,tissu dermique et adipeux.il est tout à fa i t c o n c evable que ces diff é rentes souches cellulaires puissent se d é d i ff é re n c i e r,ch a n ger d'ori e n t ation et aboutir à une nouve l l e lignée cellulaire en fonction de modifi c ations des fa c t e u rs l o c a u x. «Le tissu conjonctif est édifié dans sa fo rme et sa stru c- t u re d'après sa fonction».ces potentialités dive rses sont utilisées dans les techniques de gre ffe s. Le chondrocyte est une cellule conjonctive diff é re n c i é e.e l l e a s s u re au sein du cart i l age qui est ni innerv é, ni va s c u l a ri s é, l'homéostasie tissulaire par un juste équilibre entre les pro c e s- sus anaboliques et cat ab o l i q u e s.elle gère la mat rice ex t ra - c e l l u- l a i re,g ly c o s a m i n og lycannes et collag è n e,qui confère à ce tissu P rochain numéro de l Observ a t o i re du Mouvement : L e t t re n 14 : La morphogénèse Les références bibl i og r aphiques de la lettre n 13 sont à consulter sur le site de l ODM L E S I T E w w w. o b s e r v a t o i r e - d u - m o u v e m e n t. c o m O p i n i o n p a rticulier ces pro p riétés biomécaniques de viscosité et de l u b ri fi c ation art i c u l a i re.les protéines tra n s - m e m b ra n a i res considérées comme des baro et ch e m o r é c ep t e u rs assurent la vigilance cellulaire,ses re l ations avec son env i ronnement et donc les modes de réactions cellulaire s. Les propriétés essentielles du cartilage de transmission des charges, d'amortissement et de glissement des surfaces art i- c u l a i re s,p e u vent se dégra d e r,soit par fragi l i s ation tissulaire, soit par augmentation des contraintes mécaniques.le ch o n- d ro cyte n'est plus cap able d'assurer l'équilibre entre la synthèse et la dégra d at i o n.après une pre m i è re phase réactionnelle («ch o n d ro cyte activé de Mazière s») les ch o n d ro cytes dev i e n- nent très actifs,ils vont dégénérer et se nécro s e r. Cette notion est import a n t e,car elle laisse entrevoir une c a p a- cité réactionnelle des cellules et donc des possibilités thérapeutiques dive rses pouva n t f reiner les processus cat ab o- liques ou activer les pro c e s- sus de synthèse par le ch o n- d ro cy t e.c'est tout le pro bl è- me de l'art h ro s e,et de sa pri s e en ch a rge par l'interm é d i a i re de traitements locaux et généraux ayant vo c ation de pro t é- ge r,de ralentir ou de re c o n s- t ru i re le milieu art i c u l a i re en p a rticulier le cart i l age. L ' ap p ro che de l'art h ro s e, comme de l'ensemble de la p at h o l ogie art i c u l a i re,peut se fa i re à plusieurs niveaux : - ap p ro che art i c u l a i re - ap p ro che tissulaire - ap p ro che cellulaire - ap p ro che moléculaire La cellule reste l'élément centra l. C'est elle qui est cap able de s y n t h é t i s e r,c'est sa seule vo c at i o n,elle doit ga rantir avant tout l'homéostasie tissulaire. La compréhension de tous ces mécanismes électro ch i m i q u e s, biomécaniques et enzymat i q u e s,m o n t re l'intérêt que présente la re ch e rche dans le domaine de la mécanobioch i m i e.n o u s tenons à re m e rcier le Pro fesseur Jean Pierre PUJOL pour avo i r p ris en ch a rge cette lettre de l'observat o i re du Mouve m e n t. C h ristian Mansat L A L E T T R E La lettre de l Observat o i re du Mouvement est une publ i c ation de L O b s e rvat o i re du Mouve m e n t Sud Radio - 4,place A l fo n s e - Jo u rd a i n Toulouse Cedex 7 Téléphone : D i recteur de la publication : Etienne A n d r é Conception et réalisation : JB Conseil I m p ression : S I A N ISSN : Dépôt légal : s ep t e m b re 2004 N 13 - PAG E LA LE T T R E D E L OB S E RVATO I R E D U M O U V E M E N T