Rôle de l'ostéopontine et de l'ostéocalcine à l'interface organique-inorganique dans les tissus osseux

Role of Osteocalcin and Osteopontin at the Organic-Inorganic Interface in Bone

• Auteur / Autrice : Ondr̆ej Nikel
• Direction : Hubert Mutin, Deepak Vashishth
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 25/10/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2 en cotutelle avec Rensselaer Polytechnic Institute (Troy, N.Y.)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Georges Boivin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hubert Mutin, Deepak Vashishth, Georges Boivin, Shiva Kotha, Steven Cramer, Danielle Laurencin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Boivin, Shiva Kotha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ostéopontine

Ostéocalcine

Tissu osseux

Mots clés libres

Qualité osseuse

Ostéopontine

Ostéocalcine

Propriétés mécaniques

Spectroscopie RMN solide

Bone quality

Osteopontin

Osteocalcin

Mechanical properties

Solid state NMR spectroscopy

Résumé

Avec l'âge, les propriétés mécaniques des os se détériorent, conduisant à un risque accru de fracture. Bien que les mesures de densité minérale osseuse permettent de prédire, dans une certaine mesure, ces risques, elles restent insuffisantes dans un grand nombre de cas. Une compréhension plus complète des différents facteurs permettant de définir la « qualité » d'un os est donc souhaitable. Il est connu que la résistance à la fracture de tissus osseux est affectée non seulement par la glycosylation non-enzymatique du collagène, mais aussi par des protéines non collagéneuses comme l'ostéocalcine (OC) et l'ostéopontine (OPN). Cependant, le rôle structural de ces deux protéines dans l'os est mal connu, de même que la façon dont elles contribuent aux propriétés mécaniques globales. L'objectif de cette thèse est donc de répondre à ces deux points. Un modèle synthétique a ainsi été développé pour élucider quelles sont les interactions-clés gouvernant l'interaction de l'OC et l'OPN avec la phase minérale osseuse. Par ailleurs, en utilisant des os de souris génétiquement modifiées (déficientes en OC et/ou OPN), des études RMN solide ont été menées, pour élucider le rôle de l'OC et l'OPN à l'interface organique-inorganique. Leur lien avec les propriétés mécaniques a aussi été étudié en détail, via des tests de rupture, de fatigue et de fluage. Les résultats obtenus montrent que l'OC et l'OPN ont un rôle structural important dans les tissus osseux, et qu'elles contribuent aux propriétés mécaniques par le biais de leurs interactions ioniques, au niveau des interfaces entre les fibrilles de collagène minéralisés.

The decrease in bone mechanical properties occurs with age. The associated fragility fractures present a global public health concern. The use of bone mineral density as a predictor of risk of fracture is, however, limited. A more comprehensive understanding of bone quality and its link to bone fragility is thus desirable. Besides the brittleness caused by nonenzymatic glycation of collagen, bone fracture resistance is also influenced by noncollagenous components such as osteocalcin (OC) and osteopontin (OPN). The structural role of OC and OPN in bone and how they contribute to mechanical properties is however unclear. The objective of this thesis is to elucidate these two aspects. Key interactions associated with the binding of OC and OPN to bone mineral were studied in a synthetic model. Using genetically modified animal model lacking OC and/or OPN, the role of OC and OPN in organic-inorganic interface was examined by solid state NMR, and their link to mechanical properties was studied via a series of tissue level mechanical tests, measuring fracture toughness, creep, or fatigue. Based on the results obtained, it is concluded that OC and OPN are present as structural elements in bone and contribute to tissue mechanical properties via ionic interactions at the interfaces between mineralized fibrils.