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Page 1 sur 12 Ronéo 1, UE11 cours 3 UE 11 – Appareil locomoteur Pr. Ea Le 25/01/2018 de 15h30 à 17h30 Ronéotypeur : Mateo Merin Ronéoficheuse : Jessica Nicolas Cours 3 : Biologie cellulaire et moléculaire du cartilage

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Ronéo 1, UE11 cours 3

UE 11 – Appareil locomoteur

Pr. Ea

Le 25/01/2018 de 15h30 à 17h30

Ronéotypeur : Mateo Merin

Ronéoficheuse : Jessica Nicolas

Cours 3 :

Biologie cellulaire et moléculaire du cartilage

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Plan du cours :

I . Généralités

II. La plaque de croissance

1) La formation osseuse 2) Différenciation chondrocytaire

III. Le cartilage articulaire chez l’adulte

1) MEC et organisation du cartilage 2) Remodelage du cartilage 3) Interaction os-cartilage 4) Stimulation mécanique 5) Vieillissement du cartilage 6) Cartilage arthrosique

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I. Généralités

Il y a 2 types de cartilage dans l’organisme :

- D’une part, on a le cartilage de croissance → une organisation très précise de celui-ci permet une bonne croissance de l’os. Il est situé dans la plaque de croissance et est transitoire : il sera remplacé par de l’os à la puberté suite à la libération d’œstrogènes, ce qui provoque la mort des chondrocytes par apoptose et donc la fermeture de la plaque de croissance.

- D’autre part, on a le cartilage articulaire → il permet d’éviter les frottements entre les extrémités osseuses au sein des articulations. Il subit une maturation très tôt et il a une demi-vie longue (plus de 100 ans), ce qui nous permet de le considérer comme persistant (mais il peut être dégradé en cas de pathologie). Ce cartilage est composé principalement de collagène de type 2. Son rôle est d’amortir les forces mécaniques lors de la locomotion et d’empêcher la transmission délétère de cette force mécanique sur les tissus osseux sous-jacents. En effet, le cartilage n’est pas innervé, il n’y aura donc pas de douleurs possibles il n’y aura donc pas de douleurs possibles au niveau du cartilage (les douleurs ressenties ; par exemple en cas d'arthrose, sont liées aux nerfs présents dans les tissus sous-jacents comme l'os).

Il existe 2 mécanismes différents pour la formation osseuse :

- L’ossification endochondrale : Concerne les os longs et les vertèbres. Sous l’effet de SOX9 (= facteur de transcription), les cellules mésenchymateuses se différencient en cellules cartilagineuses. Il y aura ensuite une maturation de la plaque de croissance, qui sera capable de synthétiser une matrice cartilagineuse, qui deviendra elle-même une matrice osseuse suite à l’arrivée de la vascularisation.

- L’ossification endomembranaire : Concerne les os plats (os du crâne ++). Sous l’effet de facteurs de transcription, notamment de RUNX2, il y a une maturation des cellules mésenchymateuses directement vers la lignée ostéoblastique sans passer par une phase cartilagineuse.

Etapes de l’ossification endochondrale

1°) Il y a tout d’abord une prolifération et une condensation des cellules mésenchymateuses sous l’influence de SOX9 pour donner les premières lignées de chondrocytes avec des marqueurs spécifiques.

2°) Organisation de la plaque de croissance et invasion qui apportent des facteurs spécifiques tels que le facteur de transcription IHH qui induit la formation du péricondre et régule la prolifération de la plaque de croissance.

3°) La plaque de croissance grandit et la vascularisation induit des facteurs de croissance qui entrainent la différenciation ostéoblastique, ce qui permet la formation de l’os

Sur les os longs, il y a généralement 2 points d’ossification (= centres d’ossification secondaires), qui permettent de débuter la formation et la croissance des os. La première couche est constituée par des chondrocytes de repos, correspondant à la réserve chondrocytaire. Ils vont entrer en croissance grâce à des facteurs et proliférer de façon organisée en colonnes pour finalement s’hypertrophier, et ainsi former plusieurs couches successives.

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Ces chondrocytes hypertrophiés vont sécréter du VEGF et permettre alors le recrutement de cellules hématopoïétiques et mésenchymateuses. Ils évolueront finalement soit vers une mort par apoptose, soit vers la transdifférenciation = changement de lignée, dans ce cas en ostéoblastes.

Les chondrocytes représentent l'unique type cellulaire présent dans la plaque de croissance bien qu'ils soient à des stades de différenciation différents.

II. La plaque de croissance

1. La formation osseuse

Chaque étape du développement du cartilage est finement régulée par plusieurs facteurs de transcription et cytokines. Une cellule souche mésenchymateuse donnera différentes lignées selon les facteurs de transcription associés (myocytes, ostéoblastes, adipocytes et chondrocytes). Plus le chondrocyte mature, moins il exprime de coll de type I et plus il exprime du type II et d’autres types de collagène minoritaires (IX, X, XI). En effet, on a une expression différentielle des récepteurs par les cellules, par perte de contact, ce qui induit que les ligands n’agissent pas sur tous les stades de chondrocytes.

Cellules mésenchymateuses → expriment principalement du collagène de type 1

Chondrocytes non hypertrophiques→ expriment surtout du collagène de type 2 et de l’agrécane

Chondrocytes hypertrophiques → expriment surtout du collagène de type X (marqueur spécifique)

différenciation

maturation

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2. Différenciation chondrocytaire

SOX9 = facteur de transcription ayant un rôle important dans l’ossification endochondrale. En cas d’hypoxie, il y aura une stimulation de HIF1 qui va lui-même stimuler SOX9. Celui-ci va inhiber la différenciation en inhibant RUNX2 via la B-caténine.

SOX9, SOX5 et SOX6 (deux cofacteurs de SOX9) vont stimuler la prolifération chondrocytaire en induisant la condensation mésenchymateuse et vont inhiber l’hypertrophie chondrocytaire.

Il faut savoir que SOX9 est finement régulé par de nombreux facteurs (pas apprendre ces différents facteurs) :

SOX5 et 6 : ces deux facteurs ont une activité redondante. En effet, on voit que chez une souris KO SOX5 ou SOX6 il y a une anomalie minime du squelette, alors que chez une souris KO SOX5 et SOX6 il n’y aura pas de modification de la condensation mésenchymateuse mais il y aura une absence de différenciation chondrocytaire ainsi qu’une plaque de croissance altérée (et donc une hypertrophie chondrocytaire accélérée et précoce). Cela peut aboutir par une mort in utero.

MEF2 et 3 (= Myocyte enhancer factors) : ils sont exprimés par les chondrocytes pré et hypertrophiques. En cas de délétion de MEF2 dans les chondrocytes, on observe une diminution de RUNX2 et donc un retard de maturation hypertrophique. Cela peut être traduit par un trouble de la minéralisation et de la croissance osseuse (os courts).

RUNX2 intervient dans les deux types d’ossification et a donc une action sur la croissance des os longs et des os plats. Il favorise la lignée ostéoblastique et l’hypertrophie chondrocytaire (régulé par Mef).

On peut cependant retrouver chez l’homme des maladies dues à des mutations non fonctionnelles de SOX9 entrainant une dysplasie campomélique, une hypoplasie de tous les os, une ambiguïté sexuelle chez les sujets XY ou une mort à la naissance par insuffisance respiratoire.

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HDAC4 (= histone désacétylase): il va réguler RUNX2 → une surexpression de HDAC4

inhibera la différenciation osseuse, alors que chez une souris HDAC4 KO on observera une augmentation de l’ossification.

NB : que ce soit en cas de retard ou en cas d’accélération de la croissance de la plaque de croissance, on aura toujours une taille diminuée par rapport à la taille cible.

PTHrP (= Parathyroid Hormone related Protein): elle a un rôle ++ dans la régulation de la prolifération de la plaque de croissance. En effet, lorsqu’il n’y a pas de récepteur fonctionnel PTH/PTHrP (suite à une mutation par exemple), il y aura une hypoplasie osseuse et une ossification endochondrale précoce. La PTHrP est principalement exprimée au “début”, c’est-à-dire sur les chondrocytes immatures (non hypertrophiques), principalement dans la zone de réserve. Elle induit la prolifération chondrocytaire et inhibe la différenciation hypertrophique.

BMP (= Bone Morphogenetic Proteins) : il est sécrété par le chondrocyte YY. Il a une action

intracellulaire : il induit les voies de signalisation de Smad et stimule SOX9, 5 et 6, ce qui provoque la stimulation de la prolifération chondrocytaire. Les BMPs interagissent avec les autres facteurs de transcription (FGF, PTHrP et IHH +++)

Son récepteur est un RCPG, phosphorylant la PKA, qui active d’autres voies de signalisation intracellulaire et en particulier la Phosphatase 2A, qui enlève un phosphate de HDAC4. Ce dernier est alors activée, passe dans le noyau et va donc inhiber l’action de Mef2 (et de Runx2), d’où une inhibition de l’hypertrophie.

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IHH (= Indian Hedgehog) : il est sécrété par le chondrocyte ZZ. Il permet la formation du périoste de l’os final et inhibe la différenciation osseuse. Agit au niveau d’un récepteur membranaire « patched » qui, lorsqu’il se lie à IHH, active « smoothened » (protéine intracellulaire) qui active des facteurs de transcription primordiaux pour la formation du périchondre autour duquel se trouvent les cellules souches ostéoblastiques.

FGF (= Fibroblast Growth Factor) : c’est une grande famille de facteurs de croissance (au nombre de 9) qui agissent sur de nombreux récepteurs (5 récepteurs différents). Il permet d’accélérer la différenciation des chondrocytes dans le phénotype hypertrophique et de diminuer leur prolifération. La mutation activatrice dans le domaine transmembranaire de FGF-R3 provoque une maturation trop rapide de la plaque de croissance par différenciation accélérée des chondrocytes. Il s’agit de la mutation la plus fréquemment retrouvée dans les achondroplasies (= nanisme).

CNP (= C-type Natriuretic Peptide): facteur exprimé par les chondrocytes prolifératifs et pré hypertrophiques, tout comme son récepteur Npr2. Chez une souris CNP KO, on retrouve un phénotype de nanisme avec une couche hypertrophique qui diminue d’épaisseur (par accélération de la différenciation chondrocytaire). Au contraire, une hyperexpression de CNP peut correspondre à un « traitement » du nanisme par inhibition de l’hyperactivation de FGFR3. En effet, FGFR3 active la voie de MAPK qui elle-même peut être inhibée par CNP.

BMP + IHH : l’interaction de ces deux protéines va augmenter la prolifération des chondrocytes, de manière indépendante. Par contre ils n’ont pas d’effet direct sur la différenciation des chondrocytes hypertrophiques.

IHH + PTHrP : la sécrétion par les chondrocytes hypertrophiques d’IHH induit la sécrétion de PTHrP par les chondrocytes proliférants (dont les récepteurs sont sur les chondrocytes pré-hypertrophiques). La PTHrP prévient la différenciation des chondrocytes pré-hypertrophiques en hypertrophiques.

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Schéma bilan :

III. Le cartilage articulaire chez l’adulte

1) MEC et organisation du cartilage

Le cartilage est un tissu très spécialisé, caractérisé par sa richesse en eau (tissu très hydraté). Cependant, il n’est pas vascularisé, ne contient pas de système lymphatique et n’est pas innervé (il ne peut pas être douloureux). Il est composé d’un seul type de cellule : le chondrocyte.

Le cartilage articulaire est organisé en une zone superficielle (à la surface de l’articulation), une zone moyenne et une zone profonde (correspond à l’interface entre le cartilage articulaire et l’os). On a aussi une zone calcifiée (séparé de la zone non calcifié par le tide mark) et l’os sous-chondral.

Les chondrocytes sont tous au même stade de maturation (contrairement au cartilage de croissance dont les chondrocytes sont à des niveaux de maturation différents). La plupart sont matures, peu proliférant, et dans la couche la plus profonde uniquement, on retrouve des chondrocytes hypertrophiques et du collagène X.

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NB : Contrairement au cartilage de croissance, on n’a pas de marqueurs ostéoblastiques dans le cartilage articulaire normal.

La matrice extra-cellulaire représente 95% du cartilage et il contient principalement du collagène, principalement de type 2 (= collagène fibrillaire spécifique du cartilage et la vitrée de l’œil).

La MEC est également composée de :

- collagènes mineurs (VI, IX, X, XI) - de protéoglycanes : on a par exemple l’agrécane, qui est un des plus gros protéoglycanes, qui

fait des liaisons avec l’acide hyaluronique. Il va permettre une résistance aux forces de compression.

- de glycosaminoglycanes : ce sont des disaccharides répétés, chargés négativement. Cela provoque une rétention de cations pour avoir un tissu électriquement neutre. Ainsi, il y a augmentation de la pression osmotique du tissu, ce qui permet de retenir l’eau : c’est pour cette raison que le cartilage articulaire est très hydraté. Cela permet donc d’avoir une propriété de résistance biomécanique.

- de SLRP = Small Leucin Rich Protein, soit des petites molécules riche en leucine - et d’autres protéines non collagéniques, telles que la fibronectine, la vitronectine, les

matrilines, la tenascine, la thrombospondine…

Ces composants ont pour rôle (entre autres) de stabiliser le collagène de type 2 et d’empêcher la calcification de la matrice cartilagineuse car, dans le cas contraire, on peut avoir une arthrose précoce.

Arthrose : c’est une maladie dont la prévalence est de 30% chez les personnes de plus de 50 ans. Elle aboutit à la destruction du cartilage articulaire et elle est douloureuse. Il est aussi possible qu’elle soit indolore et asymptomatique, car le cartilage n’est ni vascularisé ni innervé. Les premiers signes de cette maladie sont une prolifération des chondrocytes et leur différenciation en chondrocytes hypertrophiques (ressemble à une différenciation de la plaque de croissance). En effet, le cartilage articulaire perd ses signaux d’inhibition et rentre dans la différenciation et la prolifération au lieu de rester quiescent avec un renouvellement très lent. Il y a alors une perte de la capacité de réparation et donc une destruction complète du cartilage.

Il n’existe pas de traitement capable de ralentir ce processus de destruction, on va donc traiter cette maladie de façon symptomatique puis chirurgicale lorsque le cartilage est trop abîmé (prothèse).

Les fibres de collagène ont une organisation particulière dans le cartilage :

- zone superficielle : les fibres sont disposées de façon parallèle à la surface. Cela permet de résister aux forces de cisaillement.

- zone profonde : les fibres sont disposées de façon perpendiculaire à la surface. Cela permet de résister aux forces de compression.

- entre les zones superficielle et profonde il n’y a pas d’organisation particulière, les fibres de collagène sont disposées de manière aléatoire.

Les autres protéines de la matrice ont également une organisation spécifique : il y a plus d’agrécane et de protéoglycanes en profondeur pour résister aux compressions.

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2) Le remodelage osseux

La plupart des protéines de la matrice, synthétisées par les chondrocytes, ont une demi-vie très longue et n’ont pas besoin d’être renouvelées. Néanmoins, il y a toujours un remodelage du cartilage pour que le tissu garde des propriétés biomécaniques de qualité.

Le remodelage dépend uniquement des chondrocytes, qui sont responsables du renouvellement de la matrice (correspond à la dégradation et à la synthèse). La dégradation est réalisée grâce à des métalloprotéases, notamment les « agrécanases » et des dérivés oxygénés. Leur expression est régulée par des facteurs locaux (cytokines et facteurs de croissance) sécrétés par les chondrocytes ou les cellules du voisinage (synoviocytes, cellules osseuses et inflammatoires).

3) Interaction os – cartilage

Le cartilage est non vascularisé, mais il est tout de même nécessaire que des nutriments arrivent aux chondrocytes, par diffusion soit via le liquide articulaire soit via les diffusions de cytokines produits par le tissu osseux sous le cartilage. Des petites molécules peuvent diffuser passivement entre le cartilage et l’os. Il y a également des cytokines qui peuvent circuler. Celles-ci peuvent être cataboliques (métalloprotéases) ou anaboliques.

A l’état physiologique, il y a un certain équilibre entre production et dégradation de la MEC (assurant l'homéostasie dans un cartilage sain).

Quand des protéines sont détruites, on sait que des fragments de ces protéines peuvent générer des signaux délétères et donc entretenir un cercle vicieux qui va aggraver le processus de lésion (comme par exemple les agrécanes, aussi appelées ADAMTS).

4) Stimulation mécanique

La stimulation mécanique est nécessaire pour qu’un chondrocyte fonctionne correctement.

Les chondrocytes sont sensibles à la pression statique et cyclique : l’étirement, la tension, la pression, le flux liquidien et les déchirures. Ces cellules possèdent des mécanorécepteurs, dont le principal est l’intégrine. Lors d'un stress mécanique, on va avoir une activation du mécanorécepteur, cela va provoquer une ouverture des canaux calciques, ce qui va alors permettre de phosphoryler des protéines cibles et donc d’induire l’expression génique et la synthèse protéique (cytokines, prostaglandines…).

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Si le tissu est trop stimulé, comme par exemple chez les sportifs de haut niveau ou les personnes possédant des articulations déformées, alors cela peut entrainer une arthrose précoce. Inversement, s’il n’est pas assez stimulé, la réponse des chondrocytes sera moins efficace.

Chondromalacie = tissu cartilagineux altéré, c’est une pathologie de ramollissement touchant les articulations.

5) Vieillissement du cartilage

Avec l’âge, on observe des modifications au niveau :

Des cellules

- diminution de la capacité proliférative

- diminution de la réponse de anabolique (diminution de la synthèse)

- augmentation des dommages oxydatifs suite à une réponse catabolique excessive

De la matrice

- accumulation des produits de glycation avancée (aussi appelés AGEs) qui dérivent de la glycation non enzymatique des produits de la MEC. Ces produits de glycation modifient les propriétés biomécaniques du tissu car créent des liaisons entre les différentes protéines de la MEC. Les AGE diminuent la synthèse des protéoglycanes et augmentent la dureté du cartilage. Le récepteur RAGE avec les AGEs vont entrainer un signal délétère, c’est-à-dire produire des enzymes protéolytiques et des cytokines inflammatoires, ce qui favorise la destruction du cartilage.

- accumulation de fragments de la matrice

- diminution de la taille des agrécanes et du contenu en eau

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6) Cartilage arthrosique

Dans l’arthrose, on a un déséquilibre de la balance entre la synthèse et la dégradation de la MEC, en faveur de la destruction du cartilage articulaire. Cela est du à une augmentation de l’expression de protéases.

Les modifications peuvent être :

- Quantitatives → dégradation de la matrice et perte cellulaire - Qualitatives → synthèse d’une matrice de moindre qualité, modification de l’état de

différenciation des chondrocytes et calcification de la matrice