Rôle du muscle au cours de la régénération osseuse : étude fonctionnelle de la contribution cellulaire et impact des traumatismes musculosquelettiques

Role of skeletal muscle during bone repair : functional study of the cellular contribution and impact of musculoskeletal trauma

• Auteur / Autrice : Anaïs Julien
• Direction : Céline Colnot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance le 30/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Lucie Peduto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Colnot, Lucie Peduto, Delphine Duprez, Laurence Vico-Pouget, Frédéric Relaix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Duprez, Laurence Vico-Pouget

Mots clés

Mots clés contrôlés

Troubles musculo-squelettiques

Os -- Régénération (biologie)

Mots clés libres

Os

Muscle

Régénération osseuse

Interactions os-muscle

Lignage cellulaire

Génétique de la souris

Muscle

Bone

Bone repair

Muscle-bone interactions

Lineage tracing

Genetic of mouse model

Résumé

La régénération tissulaire est basée sur l’activation, le recrutement et la différenciation des cellules souches. Au cours de la régénération osseuse, les cellules stromales de la moelle osseuse (CSMO) et les cellules du périoste (CP) sont deux sources d'ostéo-chondro-progéniteurs (OCP). Dans la première partie de mon travail de thèse, nous avons montré que le périoste contient des SSCs et que les CPs ont des capacités de régénération plus élevées que les CSMOs. Le potentiel d'auto-renouvellement est modulé par la niche des SSCs au sein du périoste et dépend de la protéine extracellulaire, Périostine. Malgré ses grandes capacités de régénération, l'os présente un retard de régénération dans 10% des cas de lésions osseuses et cette proportion s’élève à 46% lors d’une fracture avec atteinte des tissus environnants tels que le muscle. Le rôle du muscle squelettique est bien connu dans le domaine orthopédique et il a été décrit comme une source potentielle de cellules et de facteurs au cours de la réparation osseuse. Cependant, les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents aux interactions os-muscle au cours de la réparation osseuse sont mal compris. Dans la deuxième partie de mon travail de thèse, nous avons montré que les cellules satellites musculaires sont nécessaires à la réparation osseuse en tant que source de facteurs de croissance et que le muscle est aussi une source d’OCPs pendant la régénération osseuse. La troisième partie de mon travail de thèse a porté sur la caractérisation des cellules dérivées du muscle squelettique en combinant des approches de lignage cellulaire et greffes de tissus. Les OCPs sont activement recrutés du muscle squelettique pendant la réparation osseuse et sont dérivés du lignage embryonnaire mésenchymateux Prx1, qui marque également les CPs. Les analyses de cytométrie et moléculaires indiquent que les cellules musculaires dérivées du lignage Prx1 sont des cellules interstitielles musculaires distinctes des cellules endothéliales, hématopoïétiques et myogéniques, mais chevauchant avec les progéniteurs fibro/adipogéniques musculaires marqués par Pdgfrα. Pour mieux comprendre les interactions os-muscle au cours de la régénération osseuse, nous avons développé un nouveau modèle de traumatisme musculosquelettique. Après approbation éthique, des fractures du tibia ont été induites chez des souris adultes avec ou sans blessure des muscles entourant le tibia. Les analyses histomorphométriques montrent que les lésions musculaires retardent la formation du cal, du cartilage et de l’os. Cela est accompagné d'une organisation anormale du cal avec la présence de cartilage et de fibrose non résorbés conduisant à l'absence de pontage osseux et à la non-consolidation de la fracture. Par des expériences de greffes tissulaires, nous montrons que la contribution des muscles squelettiques et du périoste au cartilage est diminuée dans le modèle de traumatisme musculosquelettique. Dans l'environnement traumatique, le lignage Prx1 musculaire forme le tissu fibrotique, contrairement au périoste. Dans le but de diminuer la fibrose, nous avons utilisé l'Imatinib, qui cible les protéines PDGFRα, Bcr-Abl et c-Kit. Nous montrons que l'Imatinib améliore la réparation osseuse dans un contexte de traumatisme musculosquelettique. En conclusion, nous avons identifié une population cellulaire interstitielle dans le muscle squelettique qui contribue directement à la formation du cartilage et de l’os lors de la régénération osseuse, mais qui est aussi la source de la fibrose dans un environnement de lésion traumatique, provoquant une régénération imparfaite. Cette étude fournit une base cellulaire et moléculaire pour traiter les déficits de régénération osseuse dans les blessures musculosquelettiques sévères.

Tissue regeneration relies on stem cells that are activated, and then proliferate and differentiate to repair the damaged or diseased tissue. Bone exhibits great capacities to regenerate via the local recruitment of osteo-chondro-progenitors (OCPs) within bone marrow and periosteum, the tissue lining the outer surface of bone. In the first part of this thesis work, we show that periosteum contains skeletal stem cells (SSCs) and that periosteal cells (PCs) have higher regenerative capacities than BMSCs. The regenerative and self-renewing potential of PCs is dependent of the extracellular matrix protein Periostin that contributes to the periosteal niche of SSCs. Despite its great capacities of regeneration, bone fails to heal properly in 10% of bone injuries and delayed healing is increased in patients with soft tissue damage in 46% of cases. The role of skeletal muscle is well known in the orthopedic field but the cellular and molecular mechanisms underlying bone-muscle crosstalk during bone repair are poorly understood. In the second part of the thesis, we show that muscle satellite cells are required for bone repair as source of growth factors and that skeletal muscle is a source of OCPs during bone repair. In the third part of the thesis, we then characterized the skeletal muscle derived cells using cell lineage tracing in genetic mouse models and tissue grafting. We show that OCPs recruited from both skeletal muscle and periosteum during bone repair are derived from the Prx1 lineage. FACS and molecular analyses indicate that the Prx1-derived muscle cells are muscle interstitial cells distinct from endothelial, hematopoietic and myogenic cells, but overlaps with the muscle fibro/adipogenic progenitors population marked by Pdgfrα. To better characterize bone-muscle crosstalk, we developed a new musculoskeletal trauma model. Under ethical approval, tibial fractures were induced in adult mice with or without injury to muscles surrounding the tibia. Histomorphometric analyses show that muscle injury delays callus, cartilage and bone formation. This was accompanied by abnormal callus organization with the presence of unresorbed cartilage and fibrosis leading to the absence of bone bridging and non-union. Using grafting experiments, we show that the contribution of skeletal muscle and periosteum to cartilage within the callus are decreased in fractures with muscle injury. In the trauma environment, fibrosis within the fracture callus is derived from the Prx1-derived muscle lineage but not from the periosteum. Imatinib treatment, which targets PDGFRα, Bcr-Abl and c-Kit proteins, decreases fibrosis and ameliorates bone repair in context of musculoskeletal trauma. In conclusion, we identified an interstitial cell population within skeletal muscle that contributes directly to cartilage and bone during fracture repair, and is the source of fibrosis in a traumatic injury environment causing fracture non-union. This study provides a cellular basis for delayed bone regeneration in severe musculoskeletal injuries.