Peptides de l’immunité innée (défensines et cathélicidines) : expression dans les contextes d’obésité et de diabète de type 2, et lien avec la régulation fonctionnelle des adipocytes médullaires et l’os

Peptides of the innate immunity (defensins and cathelicidins) : expression in the contexts of obesity and type 2 diabetes, and link with the functional regulation of bone marrow adipocytes and bone

• Auteur / Autrice : Amélie Paquet
• Direction : Christophe Chauveau, Hamanou Benachour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie, Médecine et Santé. Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• 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
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gallet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëtan Prévost, Vanessa Moby-Stutzmann, Giuseppina Caligiuri, Soraya Taleb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaëtan Prévost, Vanessa Moby-Stutzmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ostéoporose

Adipocytes

Diabète non-insulinodépendant

Obésité

Peptides antimicrobiens

Mots clés libres

Adipocytes médullaires

Fragilité osseuse

Obésité

Diabète de type 2

Peptides de l’immunité innée

Cathélicidine

Bone marrow adipocytes

Bone fragility

Obesity

Type 2 diabetes

Peptides of innate immunity

Cathelicidin

Résumé

L'obésité est un facteur de risque majeur de diabète de type 2 (DT2), favorisés par une inflammation systémique et une résistance à l'insuline. Ces pathologies métaboliques sont associées à une fragilité osseuse augmentant significativement le risque de fracture souvent sans modification de la masse osseuse. Elles s'accompagnent aussi d'un niveau de graisse dans la moelle osseuse (adiposité médullaire (AM)) anormalement élevé et suspectée de jouer un rôle délétère sur l'os. Cependant, les mécanismes responsables de l'accroissement de l'AM et ses conséquences sur l'os sont encore mal définis. Les défensines et la cathélicidine, des peptides antimicrobiens de l'immunité innée dont l'expression est modifiée dans l'obésité et le DT2, semblent influencer la différenciation ostéoblastique de cellules souches squelettiques (CSS). Cette thèse explore les relations entre l'expression du gène de la cathélicidine, la régulation de l'AM, et les altérations osseuses dans les contextes d'obésité et de DT2. La première partie de ce travail a évalué, dans des modèles murins d'obésité (basé sur un régime riche en lipides, High Fat Diet-HFD) et de DT2 (HFD associé à un traitement par streptozotocine-STZ), les relations entre l'expression de la cathélicidine murine (CRAMP : cathelicidin-related antimicrobial peptid), l'AM, la microarchitecture et la fragilité osseuse. Les souris C57BL/6J mâles soumises à un régime HFD développent une obésité hyperinsulinémique, caractérisée par un gain de poids, une hyperglycémie modérée, une intolérance au glucose et une insulino-résistance. Cette obésité a induit une réduction de l'épaisseur trabéculaire et corticale du tibia, associée à une expansion significative de l'AM, sans modification des taux circulants du peptide CRAMP malgré une baisse de l'expression de ses transcripts dans le tissu adipeux viscéral (TAV). Ces observations soulignent un effet de l'insuline sur l'accumulation des adipocytes médullaires (AdMeds). En revanche, le modèle HFD/STZ induit une hyperglycémie et une insulinopénie marquées, caractéristiques d'un DT2, limitant l'expansion des graisses périphériques et médullaires par rapport aux souris HFD. Ces souris diabétiques présentent une fragilité osseuse accrue, avec une réduction du nombre de trabécules de tibia et une baisse de rigidité de l'os cortical fémoral, associées à des taux réduits de CRAMP circulant. Cela suggèrent une corrélation entre la diminution de CRAMP circulant dans le DT2 et une qualité osseuse compromise à l'origine de la fragilité osseuse des souris diabétiques. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié in vitro l'expression du gène de la cathélicidine humaine (CAMP) dans les AdMeds différenciés à partir de CSS, et sa régulation par divers stimuli métaboliques. Pour la première fois, nous avons détecté l'expression des transcrits de CAMP dans les AdMeds dès le jour 3 de différenciation, avec une augmentation linéaire jusqu'à maturité des AdMeds au jour 21. En présence de fortes concentrations de glucose (11 ou 25 mM), le taux d'ARNm de CAMP est significativement réduit dans les AdMeds, ce qui corrobore la corrélation négative observée entre CRAMP circulant et la glycémie des souris diabétiques. En outre, le traitement des AdMeds différenciés avec du butyrate ou de l'oléate a entraîné une augmentation des ARNm de CAMP, tandis que le propionate a induit un effet inverse. Ces régulations suggèrent que les taux altérés d'acides gras libres dans les contextes d'obésité/DT2 ou de fragilité osseuse peuvent impacter la sécrétion de CAMP dans le plasma et la moelle osseuse. Ce travail de thèse suggère que l'expression systémique de CAMP pourrait constituer un marqueur immuno-métabolique de la fragilité osseuse associée au DT2. D'autres études sont nécessaires pour préciser les mécanismes régulant l'expression de la cathélicidine en contextes d'obésité et de DT2 et mieux comprendre son rôle dans la régulation de l'AM et de la qualité osseuse.

Obesity is a major risk factor for developing type 2 diabetes (T2D), the diseases favoured by systemic inflammation and insulin resistance. These metabolic diseases are associated to bone fragility increasing significantly the risk of fracture, often without modification in bone mineral density. Obesity and T2D are also accompanied by an abnormal high level of fat in the bone marrow (bone marrow adiposity (BMA)) which is suspected to exert a deleterious effect on the bone. However, the underlying mechanisms increasing the BMA and its consequences on bone tissue are not fully understood. The defensins and the cathelicidin, the antimicrobial peptides of the innate immunity the expression of which is modified in obesity and T2D, seem to influence the osteoblastic differentiation of skeletal stem cells (SSC). This PhD thesis explores the relationships between the expression of the cathelicidin gene, the regulation of BMA, and the bone alterations in the context of obesity and T2D. The first part of this work evaluated, in murine models of obesity -based on High Fat Diet - HFD) and of T2D (induced by HFD combined with streptozotocin-STZ treatment), the relations between the expression of the murine cathelicidin (CRAMP : cathelicidin-related antimicrobial peptide), the BMA, and bone microarchitecture and fragility. C57BL/6J male mice fed with HFD have developed hyperinsulinemic obesity, characterized by weight gain, a moderate hyperglycaemia, an impaired glucose tolerance with an insulin resistance. This obesity induced decreased trabecular and cortical thickness of the tibia, associated with a significant expansion of BMA, without changes in the circulating levels of the CRAMP peptide despite a decreased expression of its transcripts in visceral adipose tissue (VAT). These findings highlight the role of insulin in the accumulation of bone marrow adipocytes (BMAds). In contrast, the HFD/STZ mice model induces a marked hyperghycemia and insulinopenia, features of T2D, limiting the expansion of both peripheral and marrow fat as compared to the HFD group. The HFD/STZ diabetic mice also exhibit increased bone fragility, as characterized by a reduction in the trabeculae number of the tibia and a decrease of cortical rigidity of the femur, associated with decreased of CRAMP circulating levels. These alterations suggest a correlation between declined serum levels of CRAMP with a compromised bone quality leading to the bone fragility in diabetic mice. In the second part of this thesis, we studied in vitro the expression of the human cathelicidin gene (CAMP) in BMAds differentiated from SSC, as well as its regulation in response to various metabolic stimuli. For the first time to our knowledge, this study detected the expression of CAMP transripts in BMAds as early as the third day of differentiation, with a gradual increase until mature adipocytes on day 21. Under high glucose concentration (11 or 25 mM), the mRNA levels of CAMP are significantly reduced in BMAds, thus corroborating the negative correlation observed between circulating CRAMP and glycaemia in diabetic mice. Furthermore, treatment of differentiated BMAds with butyrate or oleate led to an increase in CAMP transcripts, whereas propionate caused an opposite effect on CAMP expression in vitro. These regulations suggest that abnormal levels of free fatty acids in the contexts of obesity and T2D or of bone fragility, may have effects on plasma and bone marrow levels of CAMP. Although further studies are needed, this thesis work suggests that the systemic expression of CAMP could constitute an immune-metabolic marker of bone fragility related to T2D. Future research is essential to clarify the mechanisms regulating the cathelicidin expression and better understand its role in the regulation of BMA and bone quality in the contexts of obesity and T2D.