Effets de l’hypoxie respiratoire sur les progéniteurs médullaires dans un modèle murin d’hypodynamie : intérêt pour la réparation osseuse

In Vivo Hypobaric Hypoxia, Hypodynamia and Bone Healing in Mice

• Auteur / Autrice : Marjorie Durand
• Direction : Marie-Caroline Le Bousse-Kerdiles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie, Médecine et Santé
• Date : Soutenance le 18/12/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Cancérologie : Biologie, Médecine, Santé (2000-2015 ; Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : France. Institut de recherche biomédicale des armées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Médecine Aérospatiale du Service de Santé des Armées
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Lataillade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Caroline Le Bousse-Kerdiles, Jean-Jacques Lataillade, Hervé Petite, Nathalie Rochet, Olivier Hermine, Xavier Holy, Katleen Van Damme, François-Xavier Gunepin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Petite, Nathalie Rochet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Orthopédie

Cellules souches hématopoïétiques

Cellules stromales mésenchymateuses

Anoxie

Mots clés libres

Hypoxie respiratoire

Suspension hypodynamique

Cellules stromales mésenchymateuses

Progéniteurs hématopoïétiques

Réparation osseuse

Respiratory hypoxia

Hindlimb unloading

Mesenchymal stromal cells

Hematopoietic progenitors

Bone healing

Résumé

La réparation osseuse est assurée par le recrutement constant de cellules souches/progéniteurs ostéo-compétents de nature hématopoïétique (CSH/PH), et mésenchymateuse (CSM). Une approche prometteuse pour le traitement des défauts osseux graves consisterait à favoriser le recrutement et la mobilisation des CSH/PH et des CSM à partir de la moelle osseuse vers le site de lésion. Plusieurs facteurs environnementaux sont connus pour moduler la prolifération, la mobilisation et la différenciation des progéniteurs ostéocompétents, dont l’hypoxie et l’hypodynamie (absence de contraintes mécaniques). Le but de ce travail de thèse a été d’investiguer in vivo l’impact de l’hypoxie respiratoire et de l’absence de contraintes mécaniques, appliquées séparément ou ensemble sur i) la mobilisation des progéniteurs ostéocompétents et sur ii) la réparation d’un défaut osseux cavitaire fémoral chez la souris. Sur un modèle murin dépourvu de défaut osseux, nos données montrent que l’hypoxie respiratoire est un agent mobilisateur des progéniteurs ostéocompétents, et qu’elle pourrait donc potentiellement exercer des effets bénéfiques sur la réparation osseuse. Toutefois, les effets de l’hypoxie sont modulés selon le statut hypodynamique ou non de l’animal. L’absence de contraintes mécaniques limite la mobilisation des progéniteurs érythrocytaires et mésenchymateux initiée par l’hypoxie, suggérant un effet potentiellement délétère de l’hypodynamie en condition hypoxique dans le contexte de la réparation osseuse. Chez les souris opérées, nous confirmons que l’hypoxie respiratoire déclenchée lors des phases de remodelage améliore la réparation du défaut osseux cavitaire. Une mobilisation des progéniteurs mésenchymateux et hématopoïétiques du fémur contra-latéral vers le fémur opéré est noté, mais le mode d’action de l’hypoxie passerait plutôt par une accélération du mécanisme de réparation dans la zone lésée. De façon intéressante, nous montrons que l’hypodynamie ne diminue pas le bénéfice apporté par l’hypoxie respiratoire à la réparation osseuse. En conclusion, ce travail de thèse identifie l’hypoxie respiratoire comme un candidat thérapeutique pertinent pour l’amélioration de la réparation osseuse. Bien que la perte des contraintes mécaniques module la biologie des cellules ostéoprogénitrices en absence de lésion, l’hypodynamie ne semble pas influencer la consolidation osseuse dans le cadre d’une amélioration de la réparation par un épisode hypoxique tardif.

Many environmental factors are known to influence bone cell fate, including proliferation, mobilization and differentiation of osteoprogenitor cells deriving from both hematopoietic and mesenchymal lineages. Among these factors, hypoxia and unloading (lack of mechanical loading / hypodynamia) are of particular interest. This study aims at investigating the impact of short-term hypobaric hypoxia and hindlimb unloading applied alone or in combination i) on the mobilization of osteocompetent progenitor cells on mice and ii) on the healing in a mouse model of surgical metaphyseal bone defect.In mice free of bone defect, our data indicate that respiratory hypobaric hypoxia acts as a mobilizing stimulus for osteoprogenitor cells. However, the effects of hypoxia in the bone marrow depend on whether mice are subjected to hindlimb unloading or not: hypodynamia tends to restrain the mobilization of both mesenchymal and erythroid progenitors under hypoxia. This suggests a potential detrimental influence of hypodynamia in the course of bone healing in hypoxic condition.In mice with surgery, we showed that hypobaric hypoxia during the remodelling process strongly enhances bone healing. A mobilization of both mesenchymal and hematopoietic progenitors is detected from the contralateral femur to the operated femur. In the lesion area, an acceleration of the repair process is evidenced. Interestingly, hindlimb unloading does not exert any negative influence on bone repair in our animal model. In conclusion, this study identifies delayed hypobaric hypoxia as a potent candidate to enhance bone healing. Even if unloading exerts significant effects on the biology of osteoprogenitor cells on mice free of bone defect, its influence is not detrimental for bone repair.