Cell Plascity in bone
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Plasticité cellulaire en
RhumatologieMH Lafage Proust
-2 Décembre 2007-
-SFR-
LBTO, U INSERM 890
CHU Pôle Locomoteur- Rhumatologie
St-Etienne
IFRESIS
Introduction :Qu’est-ce qu’une cellule
souche?
Une cellule souche a la capacitéunique de:
s’auto-renouveler indéfiniment ou de manière prolongée
produire différentes cellules spécialisées (différenciées)
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
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 qui ont
progressivement des
Potentialités de différenciation de + en +
restreintes
Lignages séparés
Pas de changement possible d’un type
cellulaire à un autre
Introduction: un peu d’histoire….
Introduction: un peu d’histoire….
CS hématopoiétiques C S NerveusesCS intestinales CS Musculaires
CS sanguines Cell NerveusesC intestinales C Musculaires
Cellules Souches de l’adulte : programme génétique intrinsèque déterminé par le tissu
d’origine
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
Introduction:
- Eglitis et al, PNAS (1999) des ¢
souches de la moelle peuvent se ≠
en neurones dans le cerveau de
souris adultes
- 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.
Peterson et al Science
(1999). Des ¢ souches de
la moelle peuvent devenir
des hépatocytes
-Ferrari et al Science (1998)
-Gussoni et al Science (1999
Des cellules de la moelle
peuvent se ≠ en cellules
musculaires
Introduction : Remise en question de
la plasticité des cellules souches adultes
Dans certains cas des chercheurs ontsuspecté des phénomènes de fusioncellulaire qui pourraient être responsablesd’une partie de ces observations.
Mais la fusion cellulaire est un évênementrare qui ne permet sans doute pasd’expliquer toutes les observations de“transdifférenciation”.
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 »
Eghbali-Fatourechi et coll. NEJM, 2005
Des ostéoprogéniteurs circulants
Les Péricytes sont des cellules
souches qui peuvent devenir des
ostéoblastes.(Doherty et al, 1998, JBMR)
Ostéocalcine
Des cellules « vasculaires », les Péricytes peuvent se
différencier in vitro et in vivo en ostéoblastes
Pittenger et coll. Multilineage Potential of Adult Human Mesenchymal Stem. Cells., Science, 1999
isobutylxanthine
dexamethasone
insuline
indomethacine
Dexamethasone,
-glycerol
phosphate, ascorbate
10% de sérum
Micromasse
TGF 3,
ss sérum
Les cellules stromales adultes de la moelle peuvent se
différencier en différentes lignées, dont les OB
Bennett et al. J Cell Sci 99 (1): 131. (1991)
Des adipocytes de la moelle ont un potentiel ostéo-
génique: caractère non irréversible de la différenciation
Transdifférenciation des ostéoblastes selon les conditions de
culture
1-25(OH)2D3 + GP + Asc Dex + IBMX
Nuttal et al., JBMR 1998
La plasticité cellulaire des ostéoprogéniteurs
Cellule souche
stromale
fibroblaste
adipocyte
MuscleMyo D
La différenciation des cellules stromales dépend de
l’expression de facteurs de transcription spécifiques
à chaque lignage
Chondrocyte
Ostéoblaste
Préostéoblaste
Runx2Osx, DLX5
MSX2, TwistGersbach et coll,
Exp Cell Res,
(2004)
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.
Différenciation réciproque entre l’os et la
graisse: effets du vieillissement chez l’homme
Cellule souche stromale
Ostéoblaste
?
Adipocyte
?
?
Plasticité du lignage ostéoblastique: Facteurs
influençant la balance ostéoblaste / adipocyte
Systémiques
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Locaux = microenvironnement
Cellules: Adipocytes
Pression partielle en Oxygène/ Vaisseaux
Facteurs solubles
Matrice
Contraintes mécaniques
Nerveux (?)
Facteurs de transcription
Systémiques
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Locaux = microenvironnement
Cellules: Adipocytes / moelle hématop.
Facteurs solubles
Matrice/ Adhérence
Contraintes
Vaisseaux/Pression partielle en Oxygène
Nerveux (?)
Facteurs de transcription
WT
PPAR
La déficience en PPAR induit une masse
osseuse élevée et une adipogénèse diminuée
Akune et coll, JCI 2004, 113
Ai et coll, 2006, Endocrinology
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
Rzonca et coll, Endocrinology 145: 401–406, 2004
…………………………….Et chez l’humain?
Schwartz, Clin Endocrinol Metab. 2006; 91(9): 3349–3354.
- 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….
FosB: Variations réciproques de l’ostéogenèse
et de l ’adipogenèse
Sabatakos et al., Nat Med 2000
Systémiques
Facteurs influençant la balance
ostéoblaste/adipocyte
Locaux = microenvironnement
Cellules: Adipocytes
Facteurs solubles
Matrice
Contraintes
Pression partielle en Oxygène
Nerveux (?)
Facteurs de transcription
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
Facteurs influençant la balance ob / adipocyte
Systémiques
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Locaux = microenvironnement: la niche
Cellules: Adipocytes
Pression partielle en Oxygène
Facteurs solubles
Matrice
Contraintes
Nerveux (?)
Facteurs de transcription
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.
Le concept de niche
Systémiques
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Locaux = microenvironnement
Cellules: Adipocytes
Pression partielle en Oxygène
Facteurs solubles
Matrice
Contraintes
Nerveux (?)
Facteurs de transcription
Coll type 1 Ostéocalcine
La leptine, synthétisée par les adipocytes, la
différenciation ostéoblastique et l’adipogénèse
Thomas T et coll, Endocrinology.,1999
Nbre de cellules
adipocytaires.
minéralisation
de la matrice
collagénique
V
Systémiques
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Locaux = microenvironnement
Cellules: Adipocytes
Vaisseaux: Pression partielle en oxygène
Facteurs solubles
Matrice
Contraintes
Nerveux (?)
Facteurs de transcription
La pression partielle d’oxygène: effets de 21j d’hypoxie chronique chez le rat
HYPOCTRL0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
Ad
ipo
cyte
s %
)
**
HYPOCTRL0
1
2
3
4
5
6
7
BF
R(µ
m3/µ
m2/j
)
**
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
J21
J0
Fei J et coll, JCEM sous presse
Systémiques
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Locaux = microenvironnement
Cellules: Adipocytes
Vaisseaux / Pression partielle en oxygène
Facteurs solubles
Matrice
Contraintes
Nerveux (?)
Facteurs de transcription
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
-
-
Benett et coll .Proc Natl Acad Sci U S A. 2005; 102(9): 3324–3329.
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Wnt 10b.
Systémiques
Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Locaux = microenvironnement
Cellules: Adipocytes
Vaisseaux / Pression partielle en oxygène
Facteurs solubles
Matrice
Contraintes
Nerveux (?)
Facteurs de transcription
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 ;
Ahdjoudj S, et coll. Transforming growth factor beta2
inhibits adipocyte differentiation induced by skeletal
unloading in rat bone marrow stroma. JBMR. 2002, 17
J4 J7J4
PP
AR
Les contraintes mécaniques régulent la balance
Ostéblastes / adipocytes in 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
Les contraintes mécaniques régulent la balance
OB/adipocytes ex vivo
0
50
100
150
200
250
300
350
PP
AR
(%
U)
0
50
100
150
200
250
300
350
(% U
)
0
50
100
150
200
250
300
Run
x 2
(% U
)
0
50
100
150
200
250
300Non traité RosiGTZ
Non traité RosiGTZ
Les contraintes mécaniques régulent la balance
OB/adipocytes in vitro
David V, et al. Endocrinology. 2007 Feb 22;
Rôle de la forme cellulaire
1000 cells/cm2
25,000 cells/cm2
Milieu adipogénique Milieu ostéogénique
Mc Beath, Developmental Cell. 6, 483, 2004,
Facteurs influençant la balance
ostéoblaste / adipocyte
La rigidité de la matrice contrôle l’engagement
des cellules souches vers un lignage spécifique
Engler et coll, Cell 126, 677–689, 2006
La rigidité de la matrice contrôle l’engagement
des cellules souches vers un lignage spécifique
Chéri, calme toi
laisse moi t’expliquer !Conclusions
- Plasticité du lignage ostéoblastique est influencée par
de nombreux facteurs dont la manipulation pharma-
cologique 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 »…
Etudiants
- Jia Fei
- Valentin David
- Aline Martin
- Céline Faure
- Rhonda Prisby
- Maya Boudiffa
- Mariem Wade
Remerciements
LBTO: L Vico, L Malaval, T Thomas, A
Rattner , C Alexandre, A
Guignandon, MT Linossier, N Laroche, A
Van den Bosche, S Peroche