Le cartilage

Hang-Korng Ea UMR 606 & Université Paris 7

Hôpital Lariboisière

Dia corvol 6

Plaque de croissance et formation osseuse

Cartilage de croissance et formation osseuse

•  Ébauche cartilagineuse (d) •  Formation du périchondre •  Fronts d’ossifications etc…

Cartilage de croissance

Histo encore

BMP-2, PTH-rP FGF

ostéoblastes

adipocytes

chondrocytes

Cellules souches mésenchymateuses

Cbfa1 / runx2

PPARγ 2

myocytes

Développement du cartilage et ossification endochondrale

Chun 2008 BMB reports

Kozhemyakina 2015 Development

Régulation différenciation chondrocytaire

Régulation différenciation chondrocytaire

Kozhemyakina 2015 Development

Différenciation chondrocytaire

•  Sox 9 : cofacteur sox 5 et 6 •  Se lie sur le promoteur de Col II •  Induit la condensation mésenchymateuse •  Inhibe l’hypertrophie (inhibition de β-caténine, Runx2,

expression de col10, vegf)

Dysplasie campomélique Hypoplasie de tous les os Ambiguïté sexuelle chez les sujets XY Mort à la naissance par insu. resp

Kozhemyakina 2015 Development

Régulation de Sox9

Différenciation chondrocytaire : Sox5 and 6

Souris KO Sox5Sox6 mort in utero Souris KO Sox5 ou Sox6 : anomalie minime du squelette

Condensation mésenchymateuse normale

Pas de différenciation chondrocytaire

Plaque de croissance altérée : hypertrophie chondrocytaire précoce

Smitts, 2001

Différenciation chondrocytaire : Runx-2 et Runx-3

•  Runt-domain family •  Exprimé dans ostéoblastes, chondrocytes pré- et hypertrophiques

•  Différenciation ostéoblastes

•  Souris KO Runx-2 : •  Pas de formation osseuse endochondrale ni intramembraneuse

•  Inhibition de l’hypertrophie chondrocytaire Inada, 1999

Différenciation chondrocytaire : Runx-2 et Runx-3

•  Induit directement l’expression de Ihh, Col10a, Vegfa, Mmp13

•  Active Smad liés au BMP

•  Redondance entre Runx2 et Runx3

Différenciation chondrocytaire : Mef2 et Mef3

•  Myocyte enhancer factors

•  Exprimés par chondrocytes pré- et hypertrophiques

•  Délétion de Mef2 dans les chondrocytes: diminution de Runx2, retard de maturation hypertrophique

→ os courts

Arnold 2007 Dev Cell

Différenciation chondrocytaire : Mef2 et Mef3

Arnold 2007 Dev Cell

Arnold 2007 Dev Cell

Différenciation chondrocytaire : Mef2 et Mef3

Arnold 2007 Dev Cell

Différenciation chondrocytaire : HDAC4

•  Histone deacetylase

•  Exprimé par chondrocytes pré-hypertrophiques

•  Délétion dans les chondrocytes: ossification prématuré, petite taille

•  Hyperexpression dans chondrocytes: pas d’ossification = Runx2 KO

Vega 2004 Cell

Différenciation chondrocytaire : HDAC4

Différenciation chondrocytaire : HDAC4

Vega 2004 Cell

Cartilage et PTHrP

Sans récepteur fonctionnel PTH/PTHrP

Ossification endochondrale précoce

Hypoplasie osseuse

Karaplis 1994, Lanske 1996

Cartilage et PTHrP •  Exprimé par chondrocytes immatures : zone de réserve (+++)

>>> début prolifération •  Régule prolifération et différenciation hypertrophique

Activation → translocation nucléaire HDAC4 → inhibition Runx2, Mef2c → inhibition de l’hypertrophie

Cartilage et BMP

•  Bone morphogenetic proteins = famille des TGF-β

•  Rôle majeur dans formation osseuse et cartilagineuse

Ø  Expression ectopique → formation cartilage Ø  Inhibition → défaut de formation cartilage Ø  Inhibition de Smad → chondrodysplasie

•  Interactions avec Ihh, PTHrP, FGF…

•  Stimule l’expression de Sox9, Sox5 et Sox6

Cartilage et Hedgehog

•  Indian HH : Développement os endochondral

Récepteur Ihh : Patched-1 (Ptc-1) Liaison de Ptc-1 active Smoothened

Ihh sécrété par chondrocytes pré/hypertrophiques

Souris KO Ihh •  Diminution de la prolifération des chondrocytes

•  Augmentation des chondrocytes hypertrophiques •  Absence d’ostéoblaste au périchondre

St Jacques 1999

Prolifération des chondrocytes : rôle des BMP et de Ihh

IHH sécrété par chondrocyte ZZ BMP sécrété par chondrocyte YY BMP et Hedgehoge augmentent tous deux la prolifération des chondrocytes D’une manière indépendante, Et n’ont pas d’effet direct sur leur différenciation en chondrocytes hypertrophiques

Hypertrophie chondrocytaire : rôle de Ihh et PTHrP

Hedgehog : sécrétion par chondrocytes hypertrophiques induit la sécrétion de PTHrP par les chondrocytes proliférant Dont les récepteurs sont sur les Chondrocytes préhyprtrophiques

PTHrP prévient la différenciation des chondrocytes préhypertrophiques en hypertrophiques

PTHrP =Parathyroid hormone related protein Ihh = Hedgehog

FGF et cartilage

•  FGF : famille de facteurs de croissance (9) avec plusieurs récepteurs (5)

•  Facteur accélérant la différenciation des chondrocytes dans le phénotype hypertrophique et diminuant leur prolifération.

•  Mutation activatrice de FGF-R3 ⇨ maturation trop rapide de la plaque de croissance ⇨ nanisme avec membres courts = achondroplasie

Achondroplasie

Achondroplasie = nanisme le plus fréquent (prévalence= 4/1000)

Mutation activatrice dans le domaine trans-

membranaire du FGFR 3 : différenciation accélérée chondrocytes de la plaque de croissance

Achondroplasie

FGFs

Interaction of FGF, BMP and Ihh

Cartilage et CNP

•  C-type natriuretic peptide

•  Exprimé dans chondrocytes prolifératifs et pré-hypertrophiques comme son récepteur Npr2

WT

CNP KO

Ihh Col10a Col2a Chusho 2001 PNAS

Cartilage et CNP

•  Hyperexpression dans chondrocytes de CNP ou traitement par CNP → « rescue » nanisme par hyperactivation de FGFR3

•  CNP/Nrp2 → activation des voies c-GMP → inhibition Erk/MAPK (<FGF2-FGF18/FGFR3) et vise-versa

Yasoda 2003 Nat Med, 2009 Endocrinology Ozasa 2005 Bone

Interactions BMP, Ihh, FgF18, CNP, PTHrP

Kozhemyakina 2015 Development

Cartilage chez l’adulte

Le cartilage articulaire

Cartilage articulaire

Matrice extracellulaire Chondrocytes

•  Avasculaire

•  Non innervé, alymphatique

•  2-5% de cellules

•  95% de matrice extracellulaire

Zone superficielle Zone moyenne Zone profonde Tidemark Zone calcifiée Os sous-chondral

Cartilage articulaire

Matrice extracellulaire

•  Collagène de type II, fibrillaire

•  Protéoglycanes: agrécane

•  Petites molécules non collagéniques

•  Petites molécules riche en leucine: small leucin-rich protein (SLRP)

•  Collagènes « mineurs »

Matrice cartilagineuse

•  Collagène II : spécifique cartilage et vitrée, fibrillaire. 90-95% du réseau de collagène

•  Collagène IX non fibrillaire associé au II

•  Collagène X marqueur des chondrocytes hypertrophiques, minéralisation du cartilage

•  Collagène VI adhésion des chondrocytes à la matrice

•  Collagène XI initie la nucléation fibrillaire

→ Résistance au forces de tension et cisaillement

Matrice cartilagineuse

•  Glycosaminoglycanes

forte charge négative ⇨ Na+ ⇨ grandes quantités d'eau conformation très étirée ⇨ volume considérable par rapport à la masse ⇨ résistance au forces de compression

Acide hyaluronique : non lié aux protéines, très long (25 000 disaccharides)

•  Protéoglycanes du cartilage Agrécane : forme des agrégats de gros protéoglycanes, branché sur l’acide hyaluronique Décorine et biglycane très petits

Les Glycosaminoglycanes

Dudhia 2005 CMLS

Acide hyaluronique et agrécanes •  Acide hyaluronique

•  Agrécane

Agrécanes et résistance aux forces de compression

Kiani 2002 Cell Research

Matrice cartilagineuse III Les SLRP (Small leucin-rich proteins)

•  6 ou 10-11 LRR •  5 familles

Gpe I: décorine, biglycan, asporine Décorine et biglycan lient collagène II et VI, régulent formation du réseau

Gpe II: fibromoduline, lumican…

•  Nombreuses fonctions cellulaires

Délétion de décorine et biglycan: anomalie des fibrilles

Délétion de la fibromoduline: arthrose

Matrice cartilagineuse III

•  Protéines non collagèniques – Matrilines – Thrombospondines – Fibronectine – Tenascine – Matrix Gla protéine : empêche la

minéralisation – Elastine (cartilage élastique)

Décorine ++ ↓ Collagène II ↓ Agrécane ↑

Protéoglycane ↑

Zone superficielle Zone moyenne Zone profonde Tidemark Zone calcifiée Os sous-chondral

Orientation des fibres de collagènes

MEC et organisation du cartilage

Heinegard 2010 Nat Rev Rheum

Le cartilage articulaire

Remodelage du cartilage

•  Chondrocytes responsables du renouvellement (synthèse + dégradation) de la matrice

•  Dégradation : Protéases : métalloprotéases dont « agrécanases » et dérivés oxygénés

•  Régulés par des facteurs locaux (cytokines et facteurs de croissance) sécrétés par les chondrocytes ou les cellules de voisinage (synoviocytes, cellules osseuses et inflammatoires)

Interaction os-cartilage

MMP-1-9-13, ADAMTS-4&-5…

IL-1 & -6 PGE2 IGF-1 TGF-β

?

Interaction os-cartilage

Fünck-Brentano 2011 Cytokine Growth Factor Rev

Kiani 2002 Cell Research

Sites de clivage de l’agrécane

Homéostasie du cartilage

IL1-­‐Ra,  sTNF-­‐R  IL4,  IL10,  IL13  

IL-­‐6  IL-­‐8    

IL1,  TNFα,  IL18  

DÉGRADATION  IGF,  BMPs,  TGFβ  SYNTHÈSE  

MMP-­‐3,  13  ADAMTS-­‐4    ADAMTS-­‐5  

Collagène  II  Protéoglycanes  

BIOMECANIQUE CHONDROCYTAIRE

•  Sensibilité des chondrocytes à la pression statique et cyclique : - Étirement, tension, pression, flux liquidien, déchirure •  Conséquences :

- ouverture de canaux calciques - phosphorylations protéiques - expression génique et synthèse protéique

• Intégrines = MECANORECEPTEURS

Synthèse de protéases, cytokines, etc…

Stimulation extérieure et signalisation chondrocytaire

Stimulation mécanique

Loeser 2009 Osteoarthritis Cartilage

Vieillissement du cartilage

Forsyth 2005 J Gerontol Biol Sci

Vieillissement et réponse chondrocytaire

AGEs et arthrose

Advanced Glycation End-products

Verzijl 2003 Curr Opin Rheum Loeser et al.

DeGroot 1999 Arthritis Rheum

AGEs diminuent la synthèse des protéoglycanes

Verzijl 2002 Arthritis Rheum

AGEs augmentent la dureté du cartilage

Anderson 2010 Best Pract Res Clin Rheumatol

Vieillissement et arthrose

•  Mechanic

•  Cartilage calcification

Cartilage arthrosique

↑ Expression des protéases

IGF, BMPs, TGFβ SYNTHÈSE

IL1, TNFα, IL18 DÉGRADATION

Normal Arthrose

MODIFICATIONS QUANTITATIVES

NORMAL OA

MODIFICATIONS QUALITATIVES

•  Dégradation de la matrice +++

• Synthèse d’une matrice de moindre qualité • Modification de l’état de différenciation des chondrocytes • Calcification de la matrice

•  Perte cellulaire

Le cartilage arthrosique