Cell Plascity in bone

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Cell Plascity in bone

  1. 1. -2 Décembre 2007-SFR- Plasticité cellulaire en Rhumatologie MH Lafage Proust IFRESIS LBTO, U INSERM 890 CHU Pôle Locomoteur- Rhumatologie St-Etienne
  2. 2. Introduction :Qu’est-ce qu’une cellule souche? Une cellule souche a la capacité unique de:  s’auto-renouveler indéfiniment ou de manière prolongée  produire différentes cellules spécialisées (différenciées)
  3. 3. Introduction :Où trouve-t-on des cellules souches?  Les cellules souches embryonnaires  Dérivent de la masse interne du blatocyste (embryon de 4-5 jours)  Pluripotentes: potentiel de produire tous les types cellulaires (> 200 différents types)  Les cellules souches adultes  Dérivent de tissus adultes
  4. 4. Introduction: un peu d’histoire…. L’engagement vers une voie de différenciation était souvent considéré comme un processus habituellement non réversible unidirectionnel, qui comprend plusieurs étapes et qui conduit à un phénotype cellulaire « terminal » .  Hiérarchie de progéniteurs progressivement des qui ont  Potentialités de différenciation de + en + restreintes  Lignages séparés  Pas de changement possible d’un type cellulaire à un autre
  5. 5. Introduction: un peu d’histoire…. Cellules Souches de l’adulte : programme génétique intrinsèque déterminé par le tissu d’origine CS hématopoiétiques CS sanguines CS intestinales C intestinales CS Musculaires C S Nerveuses C Musculaires Cell Nerveuses
  6. 6. Introduction : un peu d’histoire…. - Les CS issues d’un tissu, dédiées à ce tissu et se ≠ dans les limites des types cellulaires du tissu d’origine - Capacités de renouvellement limitées - Résident dans ce tissu
  7. 7. Introduction: - Eglitis et al, PNAS (1999) des ¢ souches de la moelle peuvent se ≠ en neurones dans le cerveau de souris adultes Peterson et al Science (1999). Des ¢ souches de la moelle peuvent devenir des hépatocytes - Bjornson et al, Science (1999) des cellules souches d’origine nerveuse peuvent se ≠ en cellules sanguines (myeloides et lymphocytes B et T) après injection dans le sang circulant. -Ferrari et al Science (1998) -Gussoni et al Science (1999 Des cellules de la moelle peuvent se ≠ en cellules musculaires
  8. 8. Introduction : Remise en question de la plasticité des cellules souches adultes  Dans certains cas des chercheurs ont suspecté des phénomènes de fusion cellulaire qui pourraient être responsables d’une partie de ces observations.  Mais la fusion cellulaire est un évênement rare qui ne permet sans doute pas d’expliquer toutes les observations de “transdifférenciation”.
  9. 9. Plasticité cellulaire « Capacité de certaines cellules à se différencier en types cellulaires dont le phénotype est sans rapport avec celui des cellules de leur tissu d’origine » Plasticité « orthodoxe » Plasticité « non orthodoxe »
  10. 10. Des ostéoprogéniteurs circulants
  11. 11. Des cellules « vasculaires », les Péricytes peuvent se différencier in vitro et in vivo en ostéoblastes Ostéocalcine Les Péricytes sont des cellules souches qui peuvent devenir des ostéoblastes. (Doherty et al, 1998, JBMR)
  12. 12. Les cellules stromales adultes de la moelle peuvent se différencier en différentes lignées, dont les OB isobutylxanthine dexamethasone insuline indomethacine Micromasse TGF 3, ss sérum Dexamethasone, -glycerol phosphate, ascorbate 10% de sérum Pittenger et coll. Multilineage Potential of Adult Human Mesenchymal Stem. Cells., Science, 1999
  13. 13. Des adipocytes de la moelle ont un potentiel ostéogénique: caractère non irréversible de la différenciation Bennett et al. J Cell Sci 99 (1): 131. (1991)
  14. 14. La plasticité cellulaire des ostéoprogéniteurs Transdifférenciation des ostéoblastes selon les conditions de culture 1-25(OH)2D3 + GP + Asc Dex + IBMX Nuttal et al., JBMR 1998
  15. 15. La différenciation des cellules stromales dépend de l’expression de facteurs de transcription spécifiques à chaque lignage Muscle fibroblaste Myo D Chondrocyte Cellule souche stromale adipocyte Préostéoblaste Runx2 Gersbach et coll, Exp Cell Res, (2004) Osx, DLX5 MSX2, Twist Ostéoblaste
  16. 16. Différenciation réciproque entre l’os et la graisse: effets du vieillissement chez l’homme Meunier, P., et coll 1971. Osteoporosis and the replacement of cell populations of the marrow by adipose tissue. A quantitative study of 84 iliac bone biopsies. Clin. Orthop.80:147–154. Burkhardt, R., et al. 1987. Changes in trabecular bone, hematopoiesis and bone marrow vessels in aplastic anemia, primary osteoporosis, and old age: a comparativehistomorphometric study. Bone. 8:157–164. Rozman, C., et al. 1989. Age-related variations of fat tissue fraction in normal human bone marrow depend both on size and number of adipocytes: a stereological study. Exp. Hematol. 17:34–37.
  17. 17. Plasticité du lignage ostéoblastique: Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte Cellule souche stromale ? ? ? Ostéoblaste Adipocyte
  18. 18. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte  Facteurs de transcription  Systémiques  Nerveux (?)  Locaux = microenvironnement  Cellules: Adipocytes  Pression partielle en Oxygène/ Vaisseaux  Facteurs solubles  Matrice  Contraintes mécaniques
  19. 19. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte  Facteurs de transcription  Systémiques  Nerveux (?)  Locaux = microenvironnement  Cellules: Adipocytes / moelle hématop.  Facteurs solubles  Matrice/ Adhérence  Contraintes  Vaisseaux/Pression partielle en Oxygène
  20. 20. La déficience en PPAR induit une masse osseuse élevée et une adipogénèse diminuée WT PPAR Akune et coll, JCI 2004, 113
  21. 21. Les agonistes de PPAR induisent une perte osseuse chez la souris et le rat Cellules stromales de moelle, 0 effet sur des ob plus matures Ai et coll, 2006, Endocrinology Rzonca et coll, Endocrinology 145: 401–406, 2004
  22. 22. …………………………….Et chez l’humain? - 666 diabétiques 70-79 ans de type II, - 69 sous TZD , suivi de 4 ans, DMO (corps entier, R et F) - Perte additionnelle de -1.23% de DMO-R / an d’utilisation des TZD chez les femmes - Pas d’effet à la hanche - A suivre…. Schwartz, Clin Endocrinol Metab. 2006; 91(9): 3349–3354.
  23. 23. FosB: Variations réciproques de l’ostéogenèse et de l ’adipogenèse Sabatakos et al., Nat Med 2000
  24. 24. Facteurs influençant la balance ostéoblaste/adipocyte  Facteurs de transcription  Systémiques  Nerveux (?)  Locaux = microenvironnement  Cellules: Adipocytes  Facteurs solubles  Matrice  Contraintes  Pression partielle en Oxygène
  25. 25. Facteurs influençant la balance ob / adipocyte  Systémiques:  PTH: - Rickard et coll , Bone. 2006 Dec;39(6):1361-72 : PTH Intermittente inhibe la différentiation en adipocyte des cellules stromales de moelle humaine.  Oestrogènes: - In vitro : Okazaki R, et coll, Endocrinology. 2002 : ≠ OB des BMCs,  ≠ adipocyte - In vivo: Gevers EF, et coll Endocrinology. 2002. : pas d’effet de l’OVX sur les adipocytes médullaires  GH / IGF1 -Gevers EF, et coll Endocrinology. 2002: déficit en GH  adipocytes médullaires,  masse osseuse - Rosen CT et coll. Bone. 2004 ;35(5):1046-58: souris IGF-1  BV/TV, Cultures de MSCs :  colonies CFU-F et ALk Phos +  adipocytes dans la moelle
  26. 26. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte  Facteurs de transcription  Systémiques  Nerveux (?)  Locaux = microenvironnement: la niche  Cellules: Adipocytes  Pression partielle en Oxygène  Facteurs solubles  Matrice  Contraintes
  27. 27. Le concept de niche Environnement stable pour les cellules souches  Ensembles de tissus et de matrices extra-cellulaires qui peuvent indéfiniment :  -héberger des cellules souches,  -contrôler leur auto-renouvellement  et leur production cellulaire in vivo. 
  28. 28. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte  Facteurs de transcription  Systémiques  Nerveux (?)  Locaux = microenvironnement  Cellules: Adipocytes  Pression partielle en Oxygène  Facteurs solubles  Matrice  Contraintes
  29. 29. La leptine, synthétisée par les adipocytes,  la différenciation ostéoblastique et  l’adipogénèse Coll type 1 Ostéocalcine  minéralisation de la matrice collagénique  Nbre de cellules adipocytaires. V Thomas T et coll, Endocrinology.,1999
  30. 30. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte  Facteurs de transcription  Systémiques  Nerveux (?)  Locaux = microenvironnement  Cellules: Adipocytes  Vaisseaux: Pression partielle en oxygène  Facteurs solubles  Matrice  Contraintes
  31. 31. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte La pression partielle d’oxygène: effets de 21j d’hypoxie chronique chez le rat J0 7 1.4 5 4 J21 3 ** 2 Adipocytes %) BFR(µm3/µm2/j ) 6 1.3 1.2 1.1 1.0 ** 0.9 0.8 0.7 0.6 1 0.5 0 CTRL HYPO 0.4 CTRL HYPO
  32. 32. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte  Facteurs de transcription  Systémiques  Nerveux (?)  Locaux = microenvironnement  Cellules: Adipocytes  Vaisseaux / Pression partielle en oxygène  Facteurs solubles  Matrice  Contraintes
  33. 33. Facteurs influençant la balance ostéoblaste/adipocyte -BMPs: Bone morphogenetic protéines -PDGF: Platelet-derived growth factor -EGF: Epidermal growth factor - FGF II: basic Fibroblast growth factor, -TGF : Transforming growth factor-β, -IGF-1Insulin-like growth factor-1 - Wnts - -
  34. 34. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte Wnt 10b. Benett et coll .Proc Natl Acad Sci U S A. 2005; 102(9): 3324–3329.
  35. 35. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte  Facteurs de transcription  Systémiques  Nerveux (?)  Locaux = microenvironnement  Cellules: Adipocytes  Vaisseaux / Pression partielle en oxygène  Facteurs solubles  Matrice  Contraintes
  36. 36. PPAR Les contraintes mécaniques régulent la balance Ostéblastes / adipocytes in vivo J4 David V, et coll. Mechanical loading down regulates PPAR{gamma} in bone marrow stromal cells and favours osteoblastogenesis at the expense of adipogenesis. Endocrinology. 2007 ; J4 J7 Ahdjoudj S, et coll. Transforming growth factor beta2 inhibits adipocyte differentiation induced by skeletal unloading in rat bone marrow stroma. JBMR. 2002, 17
  37. 37. Les contraintes mécaniques régulent la balance OB/adipocytes ex vivo David V, et al. Mechanical loading down regulates PPAR in bone marrow stromal cells and favours osteoblastogenesis at the expense of adipogenesis. Endocrinology. 2007
  38. 38. Les contraintes mécaniques régulent la balance OB/adipocytes in vitro 350 PPAR (% U) 300 250 200 150 100 50 0 300 Runx 2 (% U) 250 200 150 100 50 David V, et al. Endocrinology. 2007 Feb 22; 0 Non traité RosiGTZ
  39. 39. Facteurs influençant la balance ostéoblaste / adipocyte Rôle de la forme cellulaire Mc Beath, Developmental Cell. 6, 483, 2004, Milieu adipogénique Milieu ostéogénique 1000 cells/cm2 25,000 cells/cm2
  40. 40. La rigidité de la matrice contrôle l’engagement des cellules souches vers un lignage spécifique Engler et coll, Cell 126, 677–689, 2006
  41. 41. La rigidité de la matrice contrôle l’engagement des cellules souches vers un lignage spécifique
  42. 42. Conclusions Chéri, calme toi laisse moi t’expliquer ! - Plasticité du lignage ostéoblastique est influencée par de nombreux facteurs dont la manipulation pharmacologique et/ ou mécanique devrait nous permettre d’obtenir des quantités notables d’ostéoblastes - Les implications thérapeutiques sont très nombreuses: ingénierie tissulaire, maladies osseuses métaboliques , réparation des fractures…. -Meilleure connaissance nécessaire des mécanismes moléculaires de différenciation, de « homing »…
  43. 43. Remerciements Etudiants - Jia Fei - Valentin David - Aline Martin - Céline Faure - Rhonda Prisby - Maya Boudiffa - Mariem Wade LBTO: L Vico, L Malaval, T Thomas, A Rattner , C Alexandre, A Guignandon, MT Linossier, N Laroche, A Van den Bosche, S Peroche

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