Le Tissu Osseux Et le métabolisme phosphocalcique. MC de Vernejoul

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1 Le Tissu Osseux Et le métabolisme phosphocalcique MC de Vernejoul

2 A. Régulation de la calcémie 1. Répartition du Ca 2+ dans l organisme 2. Circulation du Ca2+ dans l organisme 3. Les régulateurs de la calcémie a) La Vitamine D i. Origine de la Vitamine D ii. Activation de la Vitamine D iii. Actions de la Vitamine D iv. La vitamine D chez les personnes âgées b) L hormone parathyroïdienne c) Régulation de la PTH et de la Vitamine D par le Ca 2+ sanguin d) Le récepteur au calcium e) La Calcitonine B. Le tissu osseux 1. Le squelette a) Structure des os longs b) L os cortical c) L os trabéculaire ou spongieux 2. Formation osseuse endochondrale a) Croissance de l os b) Modelage pendant l enfance c) Remodelage osseux à l âge adulte i. Etape de résorption ii. Etape d inversion iii. Etape de formation 3. Matrice osseuse a) Phase organique i. Rôle des protéines non collagéniques ii. Maladie de Lobstein (os de verre) b) Phase 4. Ostéoblastes a) Différenciation ostéoblastique b) Récepteur à leur surface c) synthèse de facteurs de croissance 5. Ostéoclastes a) Mécanisme d action b) Maladies associées c) Origine des ostéoclastes d) Différenciation ostéoclastique grâce à RANK L i. Chez la souris ii. Influence de la PTH iii. Le récepteur OPG e) Différenciation ostéoclastique grâce à MCS-F 6. Ostéoporose 7. Cancer

3 A. Régulation de la calcémie 1 Répartition du calcium dans l organisme Dans le squelette il y a 1 kg de Calcium Dans les cellules il y a 10 g de Calcium Dans la circulation il y a 1 g de Calcium au total soit 25 mmol. 2 Circulation du Ca2+ dans l organisme Les échanges ont lieu avec le tissu osseux, l intestin et le rein. - Intestin : Chaque jour on mange environ 1gr soit 25 mmol de Calcium dont 2/3 passent directement dans les selles et 1/3 est absorbé de façon active au niveau de l intestin. Dans ce tiers, une partie passe dans le liquide extracellulaire, l autre partie est sécrétée par les cellules de la muqueuse digestive et retourne donc dans l intestin puis passe aussi dans les selles. - Tissu osseux : voir B - Rein : Le rein filtre 250 mmol de Calcium par jour (soit 10 g) dont une grande partie est réabsorbée et revient dans le liquide extracellulaire. Seules environ 5 mmol passent dans les urines. Au prix d échanges avec ces 3 organes, le taux de calcémie est donc maintenu constant.

4 3 Les régulateurs de la calcémie La calcémie est régulée par deux hormones majeures la vitamine D et l hormone parathyroïdienne (PTH) ainsi que par une hormone mineure, la calcitonine. Deux récepteurs à 7 domaines transmembranaires interviennent également : le récepteur au Ca 2+ et le récepteur de la parathormone. a) La Vitamine D La vitamine D est un stéroïde elle est donc liposoluble et traverse les membranes. Son récepteur est donc nucléaire, c est un facteur de transcription que l on rencontre dans de nombreuses cellules de l organisme mais essentiellement dans celles de l intestin. i. Origine de la vitamine D Elle provient de deux sources : d abord de l alimentation c est pour cela que l on parle de vitamine, mais aussi d une synthèse cutanée, c est pour cela que l on parle d hormone. La synthèse cutanée est favorisée par l action du soleil qui sous l effet des UV, transforme un précurseur de la vitamine D en pré-vitamine D. Chez les personnes âgées à Paris en hiver la synthèse cutanée de vitamine d est très basse. Cependant, on peut aussi obtenir la vitamine D par l alimentation grâce aux aliments gras notamment le lait et les poissons gras (huile de foie de morue). ii. Métabolisme de la vitamine D Lorsqu elle est synthétisée sous la peau, la vitamine D est peu active. Il faut deux hydroxylations successives pour la rendre active. La première a lieu dans le foie et forme la 25-hydroxy-vitamine D, c est cette forme que l on dose dans le sang. La seconde a lieu dans le rein grâce à la 1 hydroxylase rénale et forme la 1-25-dihydroxy-vitamine D qui est 1000 fois plus active sur le récepteur que le métabolite de départ synthétisé sous la peau. (Les personnes dialysées ont donc logiquement une carence en 1-25-di hydroxy-vitamine D).

5 iii. Actions de la vitamine D La vitamine D a beaucoup d actions putatives que l on va trouver dans de nombreuses publications: action sur les muscles, régulation de la fonction immune, de la croissance cellulaire On va se limiter à ses actions principales. - Permettre l absorption intestinale du Calcium +++ Ceci est un phénomène actif, il est limité : si on ingère trop de Calcium cela diminue l hydroxylation rénale de la vitamine D donc l absorption du Calcium est limitée en retour. - Différenciation de cellules osseuses et autres (cutanées et hématopoïétiques). De manière générale la vitamine D diminue la prolifération et augmente la différenciation. Dans le psoriasis, la prolifération excessive des kératinocytes est traitée par l application de vitamine D sur la peau.. - Diminuer la transcription de la PTH (cf paragraphe c) iv. La vitamine D chez les personnes âgées Au fur et à mesure du vieillissement le taux de vitamine D diminue : - les personnes âgées vont moins au soleil - les personnes âgées ont une peau moins capable de synthétiser la vitamine D - les personnes âgées mangent moins d aliments gras. b) L hormone parathyroïdienne Elle est synthétisée dans les 4 glandes parathyroïdes. C est une hormone polypeptidique de 84 aa, donc hydrosoluble. Seule la partie N-terminale (1-34) est nécessaire à l effet biologique.

6 Elle a un récepteur à 7 domaines transmembranaires qui est exprimé essentiellement dans le rein et les cellules osseuses. La PTH a plusieurs actions : - La PTH agit sur le tissu osseux. Elle augmente l activité de dégradation osseuse ce qui libère du Calcium dans le sang. - La PTH a aussi 2 actions sur le rein. Elle augmente l hydroxylation rénale en 1 de la vitamine D donc augmente indirectement l absorption intestinale du Calcium. Et, elle augmente la réabsorption tubulaire rénale du Calcium ce qui diminue la calciurie. Finalement la PTH vise à augmenter le taux de Calcium dans le sang. Les personnes qui ont une tumeur bénigne des glandes parathyroïdes ont une calcémie au augmente (fréquente chez les femmes âgées). c) Régulation de la PTH et de la Vitamine D par le Calcium sanguin Lorsque la calcémie est trop basse, l activité de la 1 hydroxylase rénale augmente ce qui augmente le taux de vitamine D active. A l inverse si la calcémie est trop élevée, la vitamine D va inhiber l activité de la 1 hydroxylase rénale et la synthèse de parathormone dans les glandes parathyroïdes par un mécanisme transcriptionel. Par ailleurs, lorsque la calcémie est trop élevée, le calcium se fixe sur le récepteur au calcium sur les glandes parathyroïdes et entraîne une diminution de la synthèse de PTH (et inversement). d) La Calcitonine La calcitonine est secrétée dans les cellules C de la thyroïde et elle abaisse le taux de calcium relargué par le tissu osseux. Son rôle n est pas essentiel car si on pratique une thyroïdectomie le taux de Ca 2+ reste inchangé. d) Le récepteur au calcium C est donc un récepteur à 7 domaines transmembranaires. Sa partie extracellulaire est très grande car plusieurs Ca 2+ doivent s y fixer pour engendrer un signal qui permet la baisse de synthèse de PTH. Ce récepteur peut être muté. Par exemple, dans le syndrome de Marx, une mutation inactivatrice induit une absence de fonction de ce récepteur. Les malades ont une calcémie élevé alors que la PTH est normale (elle devrait baisser). Ceci entraîne une hypercalcémie en général bien tolérée. A l inverse le récepteur est parfois constitutivement actif, donc la synthèse de PTH diminue et la PTH ne joue plus son rôle dans l augmentation de la calcémie. Cela entraîne une hypocalcémie simulant une hypoparathydoïdes. Le récepteur au calcium est donc indispensable dans la régulation de la calcémie.

7 Finalement la PTH augmente la synthèse de vitamine D et la vitamine D diminue la transcription de PTH. B. Le tissu osseux 1. Le squelette : 2 types - Le squelette central contient : les épaules, le rachis, les côtes, les hanches et le pelvis. - Le squelette périphérique contient les os longs : les bras et les jambes. Le squelette sert à protéger les tissus mous/organes et sert de réservoir à tous les minéraux (comme le calcium). a) Structure des os longs L épiphyse se situe à l extrémité des os longs. Elle est séparée de la métaphyse par l ancien cartilage de croissance. L épiphyse et la métaphyse sont constituées d os trabéculaire qui est entouré d os cortical. La diaphyse est constituée uniquement d os cortical qui entoure la cavité médullaire (en effet, au sein de l os trabéculaire il y a de la moelle hématopoïétique). b) L os cortical Il est enveloppé par le périoste. Puis il est formé de canaux de Havers, disposés suivant les lignes de force de l os (vertical pour le fémur par exemple). Les canaux de Havers (= ostéon) représentent l unité de remodelage de l os cortical adulte. Ils sont formés de lamelles osseuses concentriques. Au milieu des canaux de Havers il y a des vaisseaux sanguins qui circulent dans des canaux Volkmann (contrairement au cartilage, l os est un tissu vascularisé). Les lacunes contiennent les ostéocytes.

8 c) L os trabéculaire ou spongieux Il est fait de travées anastomosées entre elles (150 µ). Entre les travées il y a de la moelle hématopoïétique car les cellules osseuses naissent de la moelle hématopoïétique. L unité de remodelage de l os trabéculaire ressemble à un canal de Havers ouvert. La seule différence est que dans le cas de l os trabéculaire l unité de remodelage est beaucoup plus en contact avec la moelle hématopoïétique. 2. Formation osseuse endochondrale a) Croissance de l os L os est formé à partir d une ébauche cartilagineuse. Lorsque cette ébauche est vascularisée elle devient de l os : les chondrocytes meurent et laissent la place aux ostéoblastes. Les chondrocytes les plus différenciés (chondrocytes hypertrophiques CH) entrent en apoptose, ce qui induit des vaisseaux qui arrivent accompagnés des ostéoblastes : cela forme de l os primaire. Ce phénomène débute au centre de l ébauche cartilagineuse. Le cartilage de croissance persiste à la limite entre diaphyse et épiphyse jusqu à la fin de la croissance. Il y a longtemps on pensait que le chondrocyte devenait un ostéoblaste : ce n est pas le cas +++. b) Modelage pendant l enfance La croissance osseuse chez les enfants résulte du modelage c'est-à-dire qu il y a un changement de la taille et de la forme des os. Les os croissent en hauteur grâce à la plaque de croissance (espace cartilagineux entre les épiphyses et les diaphyses qui s ossifie vers 20 ans = cartilage de croissance qui persiste jusqu à la fin de la puberté. La croissance en largeur est due au périoste (revêtement des os longs et des os plats) qui continue à proliférer et à se différencier en cellules osseuses. c) Remodelage osseux à l âge adulte On ne peut pas garder le même tissu osseux toute sa vie car la matrice serait de mauvaise qualité. Tout au long de la vie, l os ancien passe à l os nouveau en remplaçant ses unités de

9 remodelage les unes après les autres. Dans l os humain adulte la durée d une séquence de remodelage est de 3 mois. i. Etape de résorption Au début la matrice osseuse est tapissée de cellules bordantes qui sont des ostéoblastes quiescents. Tout d un coup il y a un signal qui vient sûrement de la matrice. Ce signal attire un préostéoclaste qui traverse les cellules bordantes et qui commence à faire une lacune de résorption. Les pré-ostéoclastes mononuclées se différencient en ostéoclastes multinucléés qui vont creuser agrandir la lacune : on obtient la lacune de Howship (70-80 µ). Cette étape dure environ 15 jours. ii. Etape d inversion Tout d un coup les ostéoclastes s arrêtent de résorber, ils meurent et les pré-ostéoblastes arrivent : c est l inversion. iii. Etape de formation Les ostéoblastes se différencient et synthétisent de la matrice osseuse qui va se minéraliser. Ils en synthétisent assez pour que la quantité d os formée soit la même que celle qui a été dégradée. C est l étape de formation qui dure 2 mois et demi. Un mauvais remodelage (tout l os ancien n a pas été remplacé) peut conduire aux fractures qui sont fréquentes chez les femmes âgées. Comment se fait le remodelage? (ne retenir que les pourcentages par année. Pour les autres chiffres juste se rappeler que c est beaucoup). Le remodelage se fait donc unité de remodelage par unité de remodelage. Dans tout notre os cortical : environ unités de remodelage. Dans tout notre os trabéculaire : plus d un million d unité de remodelage.

10 Environ une centaine à un millier rentrent en remodelage toutes les heures. Finalement on renouvelle 25 % de notre os trabéculaire et 4 % de notre os cortical chaque année. 3. Matrice osseuse a) Phase organique L os est une matrice organique qui va être minéralisée (c est la seule). La matrice est le plus grand réservoir de facteurs de croissance. Elle est formée à 95 % de collagène de type I et à 5 % de protéines non collagéniques dont l ostéocalcine. L ostéocalcine est la seule protéine qui soit spécifique du tissu osseux. De plus, toute l ostéocalcine synthétisée par les ostéoblastes n est pas incorporée dans l os, une partie est relarguée dans le sang. Son dosage dans le sang témoigne du nombre d ostéoblastes. i. Rôle des protéines non collagéniques - La plupart ont des séquences RGD donc elles facilitent l adhésion des cellules osseuses à la matrice. - Elles facilitent ou inhibent la minéralisation de l os (il y en a davantage qui facilitent). - Elles lient les facteurs de croissance. ii. Maladie de Lobstein (os de verre) Signes : Sclérotiques bleutées, os déminéralisés, tellement peu de matrice que les os sont déformés, beaucoup de fractures. Elle est due à des mutations dans une des chaînes du collagène de type I. L assemblage du collagène en triple hélice est de très mauvaise qualité et on pense que la cellule ne va pas sécréter ce mauvais collagène ou en sécréter moins. Il y a donc moins de matrice osseuse ce qui entraîne une ostéoporose très fréquente (ce n est donc pas dû à une absence du calcium, la matrice est normalement minéralisée). Pourquoi est ce que l os est le seul tissu touché alors que d autres tissus ont aussi du collagène I? : L os est le seul tissu à avoir uniquement du collagène I. b) La phase minérale Il y a 1 kg de calcium et 600 g de phosphore dans l os. La majorité du calcium est sous forme de cristaux d hydroxy-apatite. Mécanisme de la minéralisation : il n est pas très bien connu. - On sait que dans les ostéoblastes il y a une enzyme qui s appelle la phosphatase alcaline qui permet l apport de phosphore et de calcium. - Dans le tissu osseux il y a des protéines non collagéniques qui facilitent la minéralisation. - La minéralisation est un phénomène actif sous la dépendance des ostéoblastes.

11 Les anomalies de minéralisation de la matrice organique sont très rares, on les appelle les ostéomalacies. 4. Ostéoblastes L ostéoblaste est une cellule qui synthétise et minéralise la matrice extra cellulaire. Le pré-ostéoblaste est une cellule mésenchymateuse : c est la cellule stromale située dans la moelle hématopoïétique. Les ostéoblastes bordent l ostéoïde qui est de la matrice osseuse qui n est pas encore minéralisée. Les ostéoblastes envoient des vésicules de calcium et phosphate et ainsi la matrice minéralise. Les ostéoblastes incorporés dans la matrice minéralisée deviennent des ostéocytes. a) Différenciation ostéoblastique Les ostéoblastes se différencient à partir d une cellule souche mésenchymateuse qui peut donner naissance à : - des cellules musculaires - des ostéoblastes - des adipocytes - des chondrocytes La différenciation va dépendre des facteurs de transcription exprimés dans les tissus. Ainsi pour obtenir des ostéoblastes c est le facteur cbfa1 (ou runx2) qui est exprimé. Runx2 a été découvert en Lorsqu il est inactivé chez la souris, celle-ci n a pas de tissu osseux à la naissance, elle n a que du cartilage car les ostéoblastes ne se différencient pas (létal chez l homme à l état homozygote). Il est exprimé par les cellules stromales, les précurseurs ostéoblastiques et les chondroblastes. Son expression augmente avec la différenciation ostéoblastique. Il se fixe sur le promoteur de gène exprimés dans la matrice extracellulaire osseuse : collagène I et ostéocalcine notamment (c est grâce à l ostéocalcine que l on a mis en évidence cbfa1). b) Récepteur à leur surface Ils ont des récepteurs pour de nombreux facteurs de croissance qui vont augmenter leur prolifération et leur différenciation. Ces facteurs de croissance sont IGF1, TGF, TGF, BPM. BMP est un facteur de croissance commercialisé pour stimuler la formation d os dans le cas de fractures non consolidées Ils ont des récepteurs pour les hormones : récepteurs à la parathormone et aux oestrogènes. c) Synthèse de facteurs de croissance Les ostéoblastes peuvent synthétiser les facteurs de croissance et y répondre : effet autocrine. Les facteurs de croissance peuvent aussi agir sur les ostéoblastes d à côté : effet paracrine. Ils sont aussi capables de stocker ces facteurs de croissance dans la matrice, liés à des

12 protéines non collagéniques (on a vu plus haut que la matrice était le plus grans réservoir de facteurs de croissance de l organisme). Enfin, les ostéoblastes synthétisent des facteurs qui entraînent la différenciation des ostéoclastes. 5. Ostéoclastes Ce sont des cellules multinucléées (donc très différenciées) qui vont éroder l os. Ils ont une membrane particulière : la bordure plissée, qui lui permet de détruire plus activement l os. a) Mécanisme d action Il adhère au tissu osseux comme une ventouse et envoie de l acide (HCl grâce à une pompe à protons et à un canal chlore) dans le compartiment de résorption (entre la bordure plissée et la matrice osseuse) pour dissoudre les cristaux d hydroxy-apatite puis il envoie des protéases (cathepsine K) pour dégrader la matrice de l os. Ces protéases sont actives à ph acide. Il dégrade donc l os depuis l extérieur : dégradation extracellulaire. Il fait dans le compartiment de résorption ce qu une cellule fait à l intérieur de ses lysosomes, c est pourquoi on l appelle lysosome secondaire. Les protons envoyés proviennent d une anhydrase carbonique. b) Maladies associées L ostéopétrose est une maladie où l individu a trop d os car les ostéoclastes ne fonctionnent pas : parce qu ils n ont pas la pompe à protons, ou le canal chlore ou la cathepsine K. Cependant, dans le cas des ostéoporoses (pas assez d os) on va se servir de cela, par exemple on va tenter d utiliser des inhibiteurs de cathepsine K. c) Origine des ostéoclastes Les ostéoblastes venaient d une cellule souche mésenchymateuse. Les ostéoclastes viennent d une cellule hématopoïétique : le monocyte CFU-M. On peut donc traiter les ostéopétroses par transplantation de moelle. CFU-M donne des macrophages dans des autres tissus que le tissu osseux. Pourquoi le monocyte CFU-M ne se différencie-t-il en ostéoclaste que dans le tissu osseux?

13 En fait, les ostéoblastes synthétisent des facteurs qui font différencier les CFU-M en ostéoclastes. Pour obtenir un ostéoclaste en culture il faut donc mettre en présence un monocyte et un ostéoblaste. d) Différenciation ostéoclastique grâce à RANK L i. Chez la souris Que fait l ostéoblaste pour différencier monocyte en ostéoclaste? Le facteur utilisé par les ostéoblastes est le facteur RANK L (Rank ligand). Il est lié à la membrane de l ostéoblaste et est relargué parfois. Il se lie au récepteur RANK exprimé par les précurseurs des ostéoclastes. Cela induit la différenciation et la fusion des monocytes en ostéoclaste. Les souris qui n ont pas de RANK L ont des os trop denses car ils n ont pas d ostéoclastes. Ce facteur est nécessaire et indispensable à la différenciation en ostéoclaste. La plupart des hormones et des facteurs locaux qui augmentent la résorption, le font en augmentant la synthèse de RANK L par les ostéoblastes. ii. Influence de la PTH Comment la PTH augmente-t-elle la résorption osseuse? Lorsque les récepteurs à la PTH qui sont sur les ostéoblastes fixent la PTH cela induit la synthèse de RANK L et donc augmente la différenciation en ostéoclaste. iii. L OPG L OPG (ostéoprotégérine = protège l os) est un récepteur soluble qui empêche la liaison de RANK L à RANK. Il permet donc de diminuer la résorption osseuse. Un patient qui n a pas d OPG a une ostéoporose très sévère car il y a trop d ostéoclastes (l ostéoporose a une cause différente de celle vu plu haut). e) Différenciation ostéoclastique grâce à MCS-F Les ostéoblastes synthétisent du MCS-F (Macrophage Colony Stimulating Factor) qui aide à la différenciation en ostéoclaste. Il est nécessaire à la différenciation mais pas spécifique (il agit aussi sur les macrophages et les monocytes). Ce schéma récapitulatif explique le déclenchement des étapes du remodelage (B.2.c) Activation du remodelage Au début de la séquence de remodelage, pourquoi est ce que les pré-ostéoclastes arrivent? Cela est dû à la sécrétion de RANK L et de M-CSF par les ostéoblastes ce qui induit la différenciation des ostéoclastes.

14 Passage résorption/formation Pourquoi est ce que lorsque les ostéoclastes ont terminé leur travail de résorption, les ostéoblastes arrivent? On pense que lorsque les ostéoclastes ont résorbé la matrice, ils vont libérer de la matrice osseuse des facteurs de croissance sous forme active (par exemple TGF qui est activé grâce à l acidification induite par les ostéoclastes) qui vont induire la prolifération et la différenciation des ostéoblastes. 6. Ostéoporose A plus de 60 ans on a souvent une ostéoporose (moins de vitamine D). Elle est due à un mauvais capital osseux dès la naissance (déterminé génétiquement) ou à une perte importante de ce capital osseux. Les femmes sont plus touchées (perte d os au moment de la ménopause). Elles perdent 30 % de leur masse osseuse entre 50 et 80 ans. Les hommes n en perdent que 10 %. Une trop grande perte de masse osseuse provoque des fractures. 7. Cancer Un cancer peut entraîner une ostéolyse. Les cellules tumorales sont arrivées dans la moelle hématopoïétique à côté du tissu osseux. Elles sont capables d induire la sécrétion par les ostéoblastes du RANK L qui augmente la différenciation en ostéoclastes, ce qui entraîne la dégradation du tissu osseux et donc l ostéolyse. De plus les ostéoclastes en creusent la matrice osseuse vont libérer beaucoup de facteurs de croissance (TGFb activé, IGF, FGFb, BMP ) qui vont stimuler la prolifération des cellules cancéreuses. Cercle vicieux.