Rôle de l’ostéoclaste dans la régénération osseuse induite par des cellules souches mésenchymateuses et des biomatériaux phosphocalciques

Role of the osteoclast in bone regeneration induced by mesenchymal stem cells and calcium phosphate biomaterials

• Auteur / Autrice : Paul Humbert
• Direction : Pierre Layrolle, Frédéric Blanchard, Meadhbh Brennan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie, médecine et santé
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sarcomes Osseux et Remodelage des Tissus Calcifiés (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Claudine Blin-Wakkach
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Delphine Logeart, Nathalie Chevallier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ostéoclastes

Biomatériaux

Cellules souches

Os -- Greffe

Mots clés libres

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Résumé

L’os est le tissu le plus fréquemment greffé au monde mais de nombreuses complications accompagnent ces interventions. De nouvelles stratégies thérapeutiques, basées sur la combinaison de biomatériaux et de cellules souches dérivées de la moelle osseuse, sont prometteuses. L’essai clinique européen ORTHOUNION vise à comparer l’efficacité de ce traitement avec la greffe osseuse autologue dans la consolidation des fractures des os longs. Malgré les précédents succès précliniques et cliniques de ces thérapies cellulaires, le mécanisme exact de la formation osseuse n’est pas complètement compris à ce jour. Plusieurs équipes ont démontré l’importance de la formation précoce d’ostéoclastes sur le biomatériau, alors que les cellules implantées disparaissaient rapidement. L’hypothèse à l’origine de ce travail est que les cellules souches secrètent de nombreux médiateurs de l’inflammation, d’autant plus dans les conditions extrêmes qu’elles rencontrent après implantation, favorisant le développement des ostéoclastes. Ces derniers pourraient alors recruter de nouveaux précurseurs ostéoblastiques de l’hôte, déclenchant localement un cycle de remodelage osseux. Dans ce travail, l’effet pro-ostéoclastique du sécrétome des cellules souches sur le biomatériau et en conditions d’apoptose a été démontré in vitro. Les principales protéines sécrétées ont été détectées par protéomique et dosage immunologique en multiplex. L’utilisation d’anticorps neutralisants a permis d’identifier les chimiokines interagissant avec les récepteurs CXCR1 et CXCR2 (GROα/CXCL1, GROβ/CXCL2, IL-8/CXCL8) comme étant les signaux majeurs de cette stimulation. Dans un second projet collaboratif, le développement in vitro d’ostéoclastes humains et murins sur des matériaux de différentes compositions a été évalué et mis en parallèle de l’efficacité in vivo de ces biomatériaux. Enfin, deux études préliminaires in vivo sont présentés, explorant l’utilisation à la place des cellules souches autologues (1) de milieu de culture conditionné ou de vésicules extracellulaires et (2) de cellules souches d’origines allogéniques.

Bone is the most frequently grafted tissue in the world but multiple complications go with those operations. New therapeutic strategies, based on the combination of biomaterials and mesenchymal stem cells derived from the bone marrow, are promising. The European clinical trial ORTHOUNION aims at comparing the efficacy of this treatment to autologous bone grafting in the consolidation of long bone fractures. Despite the previous preclinical and clinical successes of these cell therapies, the exact mechanism of bone formation is not completely understood so far. Several teams have demonstrated the importance of early osteoclast formation on the biomaterial, while implanted cells rapidly disappear. The hypothesis initiating this work is that stem cells secrete numerous inflammatory mediators, even more in the extreme conditions they face after implantation, favoring the development of osteoclasts. The latter could then recruit new osteoblast progenitors from the host, locally triggering a bone remodeling cycle. In this work, the pro-osteoclastic effect of the secretome from mesenchymal stem cells on the biomaterial or in apoptotic conditions was demonstrated in vitro. The major secreted proteins were detected by proteomic and multiplex immunoassay. The use of neutralizing antibodies allowed the identification of the chemokines interacting with CXCR1 and CXCR2 receptors (GROα/CXCL1, GROβ/CXCL2, IL-8/CXCL8) as the main signals of this stimulation. In a second collaborative project, the development in vitro of human and mouse osteoclasts on biomaterials of various composition was evaluated and compared to the in vivo efficiency of those biomaterials. Finally, two in vivo preliminary studies are presented; exploring, in lieu of autologous stem cells, the use of (1) conditioned culture media or extracellular vesicles and (2) allogenic stem cells.