Rôle du périoste dans la régénération osseuse et la pseudarthrose congénitale du tibia

Role of periosteum in bone regeneration and congenital pseudarthrosis of the tibia

• Auteur / Autrice : Simon Perrin
• Direction : Céline Colnot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 24/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Mondor de Recherche Biomédicale (Créteil)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Peyruchaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Peyruchaud, Geert Carmeliet, Farida Djouad, Nadège Bondurand, Éric Pasmant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geert Carmeliet, Farida Djouad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tibia

Pseudarthrose

Os -- Régénération (biologie)

Périoste

Mots clés libres

Périoste

Régénération osseuse

Cellules souches/progénitrices osseuses

Pseudarthrose congénitale du tibia

Neurofibromatose de type 1

Periosteum

Bone regeneration

Skeletal stem/progenitor cells

Congenital pseudarthrosis of the tibia

Neurofibromatosis type 1

Résumé

La régénération osseuse est un processus très efficace permettant aux os de réparer suite à une fracture. Ce processus repose sur l'activation et la différentiation de cellules souches/progénitrices osseuses (CSPO) recrutées localement depuis le périoste, la moelle osseuse, et muscle adjacent à la fracture. Le périoste, la membrane externe des os, est une source clé de CSPOs formant os et cartilage après une fracture. Cependant, les mécanismes de recrutement et de maturation des CSPOs du périoste (pCSPO) sont méconnus. De plus, le rôle du périoste dans les défauts de réparation osseuse est peu décrit, mais est suspecté dans le cas des pseudarthroses congénitales de jambe (PCJ), une atteinte osseuse sévère caractérisée par une fracture tibiale spontanée et une absence de consolidation. La PCJ est associée à la Neurofibromatose de type 1 (NF1), une maladie génétique causée par des mutations hétérozygotes du gène suppresseur de tumeur NF1. Certains symptômes de NF1, dont les tumeurs de la gaine des nerfs périphériques et les hyperpigmentations cutanées, sont dues à la perte biallélique de NF1 dans des types cellulaires spécifiques i.e. les cellules de Schwann et les mélanocytes respectivement. L'inactivation biallélique de NF1 a été identifiée dans les PCJ mais l'origine cellulaire de la pathologie reste à déterminer. Dans cette thèse, j'ai étudié les mécanismes de recrutement et de maturation des pCSPOs ainsi que l'implication du périoste dans la PCJ. Dans la première partie de la thèse, j'ai utilisé le séquençage de l'ARN en cellule unique pour décrire la réponse des pCSPOs à la fracture. En s'activant, les pCSPO quittent leur état souche/progénitrice pour entrer en fibrogenèse puis en chondrogenèse. Ce schéma d'activation, équivalent à celui des CSPOs du muscle, est régulé par la voie de signalisation BMP. Au cours de l'ossification endochondrale, le cartilage mature, s'hypertrophie et est remplacé par l'os, par apoptose ou transformation du cartilage en os. Dans la seconde partie de la thèse, le phénotype de souris portant une mutation suractivant le récepteur FGFR3 a été analysé et a montré que la transformation du cartilage en os est essentielle à la réparation osseuse. Les chondrocytes issus du périoste de souris mutantes pour Fgfr3 ne sont pas capables de se transdifférencier en ostéoblastes et produisent du fibrocartilage, conduisant à une absence de réparation osseuse. Dans la troisième partie de la thèse, j'ai combiné l'analyse d'échantillons de patients atteint de PCJ et du modèle murin Prss56-Nf1 KO portant une inactivation du gène Nf1 dans une population spécifique de cellules de crêtes neurales, les capsules frontières (CP), et leurs dérivés. La PCJ est associée à l'inactivation biallélique de NF1 chez l'homme au niveau du périoste au site de pseudarthrose et à la présence de pCSPO pro-fibrotiques dans le périoste pathologique. J'ai identifié un phénotype de pseudarthrose après fracture du tibia dans les souris Prss56-Nf1 KO. Les dérivés des CPs sont localisés dans le périoste, où ils correspondent à des pCSPOs et des cellules de Schwann. Les pCSPOs mutées pour Nf1 présentent un défaut intrinsèque de différentiation bloquant leur transition de la fibrogenèse à la chondrogenèse. De plus, les cellules de Schwann mutantes ont un effet paracrine pro-fibrotique sur les CSPOs non-mutées et l'inhibition du facteur pro-fibrotique TGFß1 corrige le phénotype de pseudarthrose chez les souris Prss56-Nf1 KO. Dans l'ensemble, cette thèse apporte une meilleure compréhension sur le rôle des pCSPO au cours de la régénération osseuse et montre comment une déficience du périoste conduit à un défaut de régénération sévère dans la PCJ.

Bone repair is a highly efficient process allowing bones to fully regenerate without scarring after fracture. It relies on the activation and differentiation of skeletal stem/progenitor cells (SSPCs) recruited locally from the periosteum, the bone marrow, and the skeletal muscle adjacent to bone. The periosteum, the outer layer of bones, is a major source of SSPCs contributing to cartilage formation after bone injury. The identity of periosteal SSPCs (pSSPCs) and their mechanisms of activation after fracture remains poorly described. Moreover, the role of the periosteum in bone repair defects is unknown but is suspected in congenital pseudarthrosis of the tibia (CPT), a severe disorder characterized by spontaneous tibial fracture and fibrous non-union. CPT is associated with the genetic disorder Neurofibromatosis Type 1 (NF1), caused by heterozygous mutations in the tumor suppressor gene NF1. NF1 symptoms such as nerve sheath tumors and skin hyperpigmentation are due to NF1 biallelic inactivation in specific cell types i.e. Schwann cells and melanocytes respectively. NF1 biallelic inactivation was also reported in CPT but the cellular origin of the disease remains to be determined. In the thesis, I investigated the mechanisms of pSSPCs recruitment and maturation, and the role of periosteum in CPT. In the first part of the thesis, I used single-cell RNAseq technology to characterize pSSPC response to fracture. Upon activation, periosteal SSPCs leave their stem/progenitor stage to become fibrogenic before undergoing chondrogenic differentiation. This activation pattern, common with skeletal muscle SSPCs, is regulated by BMP signaling. During endochondral ossification, cartilage undergoes maturation, hypertrophy and is replaced by bone, via chondrocyte apoptosis or cartilage-to-bone transformation. In the second part of the thesis, the phenotype of mice carrying an overactivating mutation of the FGFR3 receptor was analyzed and showed that this step of cartilage-to-bone transformation is essential for bone repair. Periosteum-derived chondrocytes in Fgfr3-mutant fail to transdifferentiate into osteoblasts and produce fibrocartilage, thus leading to callus fibrosis and fracture non-union. In the third part of the thesis, I combined analyses of bone samples from CPT patients and Prss56-Nf1 KO mice carrying Nf1 inactivation in neural crest-derived boundary cap (BC) cells and their derivatives. The results show that CPT is linked to NF1 biallelic inactivation in human pathological periosteum and the presence of profibrotic pSSPCs. I identified a fibrous pseudarthrosis phenotype following tibial fracture in Prss56-Nf1 KO mice. BC derivatives are located in adult periosteum, where they give rise to pSSPCs and Schwann cells. Nf1-deficient pSSPCs have an intrinsic differentiation impairment and fail to transition from fibrogenesis to chondrogenesis, thus forming fibrosis. Additionally, Nf1-deficient Schwann cells exert a profibrotic paracrine effect on wild-type SSPCs, which can be prevented by TGFß1 inhibition to allow bone union. Overall, the thesis provides new insights into the role of pSSPCs during bone repair and how periosteum dysfunction can lead to severe bone repair deficiencies.