La matrice extracellulaire des adipocytes médullaires : caractérisation et impact sur l'ostéoblastogénèse et la minéralisation dans le contexte de l'ostéoporose

Bone marrow adipocytes extracellular matrix : characterization and impact on osteoblastogenesis and mineralization in the context of osteoporosis

• Auteur / Autrice : Laura Entz
• Direction : Gilles Pasquier, Stéphanie Lucas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie, Médecine et santé. Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie.
• Date : Soutenance le 14/06/2022
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Marrow Adiposity & Bone Lab (Boulogne-sur-mer, Pas-de-Calais) - Marrow Adiposity & Bone Lab - Adiposité Médullaire et Os - ULR 4490 / MABLab (ex-pmoi)
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : MSDAvenir
• Jury : Président / Présidente : Delphine Logeart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Geoffroy, Alain Guignandon, Arnaud Scherberich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Geoffroy, Alain Guignandon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Minéralisation (biologie)

Ostéoblastes

Glucose

Matrice extracellulaire

Adipocytes

Cellules stromales médullaires

Mots clés libres

Adipocytes médullaires

Matrice Extracellulaire

Glucose

Ostéoblastes

Minéralisation

Dévitalisation

Bone Marrow Adipocytes

Extracellular Matrix

Glucose

Osteoblasts

Mineralization

Devitalization

Résumé

L'adiposité médullaire constitue un nouveau tissu adipeux d'intérêt dans les physiopathologies osseuses. Une augmentation du nombre d'adipocytes médullaires (AM) est associée à la fragilité et à la perte osseuse retrouvée dans différentes formes d'ostéoporose dont celles de la ménopause et du diabète de type 2. L'adipogénèse peut entrer en compétition avec l'ostéoblastogénèse, puisque les AM et les ostéoblastes sont issus du même progéniteur, les cellules souches mésenchymateuses (CSM). Les AM sécrètent des facteurs pouvant stimuler l'ostéoclastogénèse, la résorption osseuse, et inhiber l'ostéoblastogénèse, la formation osseuse, induisant un déséquilibre de l'homéostasie osseuse. De plus, une augmentation de l'adiposité médullaire est observée dans la fragilité osseuse associée au diabète de type 2 et est corrélée au taux d'hémoglobine glyquée, un marqueur plasmatique d'une hyperglycémie chronique non contrôlée. La matrice extra-cellulaire (MEC) des AM est peu caractérisée et son impact sur les ostéoblastes n'a jamais été évalué dans ce contexte. Nous avons donc testé si la MEC des AM est altérée par l'exposition à une forte concentration en glucose in vitro par l'emploi de CSM humaines médullaires et si, une fois dévitalisée, elle impacte la prolifération des CSM, la différenciation ostéoblastique et la minéralisation à une concentration physiologique et physiopathologique de glucose. Nos résultats démontrent que les MEC dévitalisées améliorent l'adhésion et la prolifération des CSM sans modifier l'ostéoblastogénèse, quelle que soit la concentration de glucose employée au cours de la génération des MEC adipocytaires ou de la différenciation ostéoblastique. En revanche la quantité et la qualité du minéral produit est altérée par les matrices adipocytaires ainsi que par la concentration en glucose. Ce premier travail est poursuivi par la caractérisation des MEC adipocytaires par plusieurs approches complémentaires. Une première caractérisation génique des AM obtenus par différenciation de CSM humaines in vitro met en évidence la production d'une MEC spécifique qui diffère de celle produite par les cellules à proximité : les CSM et les ostéoblastes, sans impact de la concentration en glucose. La qualité et la composition moléculaires des MEC sont évaluées par spectroscopie RAMAN, révélant des modifications liées à la forte concentration en glucose, avec notamment davantage de protéoglycanes à motifs chondroïtine sulfate. Ces résultats sont confirmés par l'analyse des AM isolés des os de deux modèles : le modèle d'ovariectomie murin, un modèle classique mimant la ménopause avec le développement d'une obésité et d'un état pré-diabétique ; et un modèle clinique de femmes post-ménopausées souffrant de gonarthrose nécessitant la pose d'une prothèse totale de genou et caractérisées sur le plan métabolique. Enfin, l'impact de la modulation de la glycémie dans le modèle d'ovariectomie sur le tissu osseux et le micro-environnement médullaire, dont les AM, a également commencé à être étudié avec le suivi de l'évolution de l'adiposité médullaire et de la quantité/qualité osseuse au cours d'un traitement avec une molécule hypoglycémiante (inhibiteur de SGLT2). En conclusion, les MEC adipocytaires induisent des altérations au niveau de la minéralisation des ostéoblastes, participant donc au développement d'une fragilité osseuse dans l'ostéoporose et le diabète de type 2.

Bone marrow adiposity is a new adipose tissue of interest in bone pathophysiology. An increase of bone marrow adipocytes (BMAds) is associated with the fragility and bone loss found in different forms of osteoporosis including that of menopause and type 2 diabetes. Adipogenesis can compete with osteoblastogenesis, since BMAds and osteoblasts originate from the same progenitor, mesenchymal stem cells (MSCs). BMAds can release various factors which stimulate osteoclastogenesis, bone resorption, and inhibit osteoblastogenesis, bone formation, inducing an imbalance in bone homeostasis. Besides, an increase in medullar adiposity is observed in bone fragility associated with type 2 diabetes and is correlated with the level of glycated hemoglobin, a plasma marker of chronic uncontrolled hyperglycemia. The extra-cellular matrix (ECM) of BMAds is poorly characterized and its impact on osteoblast has never been assessed in hyperglycemic context. We thus tested whether the ECM of AM is altered by exposure to a high concentration of glucose in vitro using human bone marrow MSCs and whether, once devitalized, it impacts MSCs proliferation, osteoblastogenesis and mineralization capacity at physiological or pathophysiological concentration of glucose. Our results demonstrates that devitalized BMAds ECM enhance the adhesion and proliferation of MSCs without modifying osteoblastogenesis, regardless of the glucose concentration used during the generation of BMAds ECM or osteoblastic differentiation in vitro. However the mineralization quantity and quality is altered, regarding Raman spectroscopy analysis, by the ECM and the glucose concentration. This first work is continued by the characterization of BMAds ECM by several complementary approaches. Using a first gene expression characterization, in vitro MSCs-derived BMAds exhibit a different ECM composition compared to osteoblast and MSCs regarding gene expression, without any impact of the glucose concentration. The molecular quality and composition of BMAds ECM are assessed by RAMAN spectroscopy and reveal modifications according to the high glucose concentration, with in particular more proteoglycans with chondroitin sulfate motifs. These results are confirmed by the analysis of BMAds isolated from the bones of two models : the mouse ovarectomy, a classic model mimicking menopause with the development of obesity and a pre-diabetic state ; and a clinical model of post-menopausal women with knee osteoarthritis requiring a total knee prosthesis and characterized at the metabolic level. Finally, the impact of glycaemia modulation in the ovariectomy model on bone tissue and the marrow microenvironment including BMAds has also begun to be studied with the study of the evolution of medullar adiposity and bone quantity/quality during a treatment with a hypoglycemic molecule (SGLT2 inhibitor). In conclusion, BMAds ECM induce alterations in osteoblasts mineralization, thus contributing to the development of bone fragility in osteoporosis and type 2 diabetes.