Le document explore la plasticité cellulaire et la différenciation des cellules souches en rhumatologie, notamment la capacité de cellules souches adultes à se différencier en types cellulaires spécialisés. Il aborde l'impact des facteurs extrinsèques comme le microenvironnement et les facteurs de transcription sur l'équilibre entre les lignages ostéoblastiques et adipocytaires. Des implications thérapeutiques sont envisagées dans le cadre de l'ingénierie tissulaire et des maladies osseuses métaboliques.

1. -2 Décembre 2007-SFR-
Plasticité cellulaire en
Rhumatologie
MH Lafage Proust
IFRESIS
LBTO, U INSERM 890
CHU Pôle Locomoteur- Rhumatologie
St-Etienne

2. Introduction :Qu’est-ce qu’une cellule
souche?
Une cellule souche a la capacité
unique de:
 s’auto-renouveler
indéfiniment ou de
manière prolongée
 produire différentes
cellules spécialisées
(différenciées)

3. Introduction :Où trouve-t-on des cellules
souches?

Les cellules souches embryonnaires
 Dérivent de la masse interne du blatocyste
(embryon de 4-5 jours)
 Pluripotentes: potentiel de produire tous les
types cellulaires (> 200 différents types)

Les cellules souches adultes
 Dérivent de tissus adultes

4. Introduction: un peu d’histoire….
L’engagement vers une voie de différenciation était souvent considéré comme un
processus habituellement non réversible unidirectionnel, qui comprend plusieurs
étapes et qui conduit à un phénotype cellulaire « terminal » .
 Hiérarchie de progéniteurs
progressivement des
qui
ont
 Potentialités de différenciation de + en +
restreintes
 Lignages séparés
 Pas de changement possible d’un type
cellulaire à un autre

5. Introduction: un peu d’histoire….
Cellules Souches de l’adulte : programme génétique intrinsèque déterminé par le tissu
d’origine
CS hématopoiétiques
CS sanguines
CS intestinales
C intestinales
CS Musculaires
C S Nerveuses
C Musculaires
Cell Nerveuses

6. Introduction : un peu d’histoire….
- Les CS issues d’un tissu, dédiées à ce tissu et se ≠ dans les limites des types
cellulaires du tissu d’origine
- Capacités de renouvellement limitées
- Résident dans ce tissu

7. Introduction:
- Eglitis et al, PNAS (1999) des ¢
souches de la moelle peuvent se ≠
en neurones dans le cerveau de
souris adultes
Peterson et al Science
(1999). Des ¢ souches de
la moelle peuvent devenir
des hépatocytes
- Bjornson et al, Science (1999)
des cellules souches d’origine
nerveuse peuvent se ≠ en cellules
sanguines
(myeloides
et
lymphocytes B et T) après injection
dans le sang circulant.
-Ferrari et al Science (1998)
-Gussoni et al Science (1999
Des cellules de la moelle
peuvent se ≠ en cellules
musculaires

8. Introduction : Remise en question de
la plasticité des cellules souches adultes
 Dans
certains cas des chercheurs ont
suspecté des phénomènes de fusion
cellulaire qui pourraient être responsables
d’une partie de ces observations.
 Mais
la fusion cellulaire est un évênement
rare qui ne permet sans doute pas
d’expliquer toutes les observations de
“transdifférenciation”.

9. Plasticité cellulaire
« Capacité de certaines cellules à se différencier en
types cellulaires dont le phénotype est sans rapport
avec celui des cellules de leur tissu d’origine »
Plasticité
« orthodoxe »
Plasticité
« non orthodoxe »

10. Des ostéoprogéniteurs circulants

11. Des cellules « vasculaires », les Péricytes peuvent se
différencier in vitro et in vivo en ostéoblastes
Ostéocalcine
Les Péricytes sont des cellules
souches qui peuvent devenir des
ostéoblastes.
(Doherty et al, 1998, JBMR)

12. Les cellules stromales adultes de la moelle peuvent se
différencier en différentes lignées, dont les OB
isobutylxanthine
dexamethasone
insuline
indomethacine
Micromasse
TGF 3,
ss sérum
Dexamethasone,
-glycerol
phosphate, ascorbate
10% de sérum
Pittenger et coll. Multilineage Potential of Adult Human Mesenchymal Stem. Cells., Science, 1999

13. Des adipocytes de la moelle ont un potentiel ostéogénique: caractère non irréversible de la différenciation
Bennett et al. J Cell Sci 99 (1): 131. (1991)

14. La plasticité cellulaire des ostéoprogéniteurs
Transdifférenciation des ostéoblastes selon les conditions de
culture
1-25(OH)2D3 + GP + Asc
Dex + IBMX
Nuttal et al., JBMR 1998

15. La différenciation des cellules stromales dépend de
l’expression de facteurs de transcription spécifiques
à chaque lignage
Muscle
fibroblaste
Myo D
Chondrocyte
Cellule souche
stromale
adipocyte
Préostéoblaste
Runx2
Gersbach et coll,
Exp Cell Res,
(2004)
Osx, DLX5
MSX2, Twist
Ostéoblaste

16. Différenciation réciproque entre l’os et la
graisse: effets du vieillissement chez l’homme
Meunier, P., et coll 1971. Osteoporosis and the replacement of cell populations of the marrow by
adipose tissue. A quantitative study of 84 iliac bone biopsies. Clin. Orthop.80:147–154.
Burkhardt, R., et al. 1987. Changes in trabecular bone, hematopoiesis and bone marrow vessels in
aplastic anemia, primary osteoporosis, and old age: a comparativehistomorphometric study. Bone.
8:157–164.
Rozman, C., et al. 1989. Age-related variations of fat tissue fraction in normal human bone marrow
depend both on size and number of adipocytes: a stereological study. Exp. Hematol. 17:34–37.

17. Plasticité du lignage ostéoblastique: Facteurs
influençant la balance ostéoblaste / adipocyte
Cellule souche stromale
?
?
?
Ostéoblaste
Adipocyte

18. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
 Facteurs de transcription
 Systémiques
 Nerveux (?)
 Locaux = microenvironnement
 Cellules: Adipocytes

Pression partielle en Oxygène/ Vaisseaux
 Facteurs solubles
 Matrice
 Contraintes mécaniques

19. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
 Facteurs de transcription
 Systémiques
 Nerveux (?)
 Locaux = microenvironnement
 Cellules: Adipocytes / moelle hématop.
 Facteurs solubles
 Matrice/ Adhérence
 Contraintes
 Vaisseaux/Pression partielle en Oxygène

20. La déficience en PPAR induit une masse
osseuse élevée et une adipogénèse diminuée
WT
PPAR
Akune et coll, JCI 2004, 113

21. Les agonistes de PPAR induisent une perte
osseuse chez la souris et le rat
Cellules stromales de moelle,
0 effet sur des ob plus matures
Ai et coll, 2006, Endocrinology
Rzonca et coll, Endocrinology 145: 401–406, 2004

22. …………………………….Et chez l’humain?
- 666 diabétiques 70-79 ans de type II,
- 69 sous TZD , suivi de 4 ans, DMO (corps entier, R et F)
- Perte additionnelle de -1.23% de DMO-R / an
d’utilisation des TZD chez les femmes
- Pas d’effet à la hanche
- A suivre….
Schwartz, Clin Endocrinol Metab. 2006; 91(9): 3349–3354.

23. FosB: Variations réciproques de l’ostéogenèse
et de l ’adipogenèse
Sabatakos et al., Nat Med 2000

24. Facteurs influençant la balance
ostéoblaste/adipocyte
 Facteurs de transcription
 Systémiques
 Nerveux (?)
 Locaux = microenvironnement
 Cellules: Adipocytes
 Facteurs solubles
 Matrice
 Contraintes
 Pression partielle en Oxygène

25. Facteurs influençant la balance ob / adipocyte
 Systémiques:

PTH:
- Rickard et coll , Bone. 2006 Dec;39(6):1361-72 :
PTH Intermittente inhibe la différentiation en adipocyte des
cellules stromales de moelle humaine.

Oestrogènes:
- In vitro : Okazaki R, et coll, Endocrinology. 2002 : ≠ OB des
BMCs,  ≠ adipocyte
- In vivo: Gevers EF, et coll Endocrinology. 2002. : pas d’effet
de l’OVX sur les adipocytes médullaires

GH / IGF1
-Gevers EF, et coll Endocrinology. 2002: déficit en GH 
adipocytes médullaires,  masse osseuse
- Rosen CT et coll. Bone. 2004 ;35(5):1046-58: souris IGF-1
 BV/TV, Cultures de MSCs :  colonies CFU-F et ALk Phos +
 adipocytes dans la moelle

26. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
 Facteurs de transcription
 Systémiques
 Nerveux (?)
 Locaux = microenvironnement: la niche
 Cellules: Adipocytes

Pression partielle en Oxygène
 Facteurs solubles
 Matrice
 Contraintes

27. Le concept de niche
Environnement stable pour
les cellules souches
 Ensembles de tissus et de
matrices extra-cellulaires qui
peuvent indéfiniment :
 -héberger des cellules souches,
 -contrôler
leur auto-renouvellement
 et leur production cellulaire
in vivo.


28. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
 Facteurs de transcription
 Systémiques
 Nerveux (?)
 Locaux = microenvironnement
 Cellules: Adipocytes

Pression partielle en Oxygène
 Facteurs solubles
 Matrice
 Contraintes

29. La leptine, synthétisée par les adipocytes,  la
différenciation ostéoblastique et  l’adipogénèse
Coll type 1
Ostéocalcine
 minéralisation
de la matrice
collagénique
 Nbre de cellules
adipocytaires.
V
Thomas T et coll, Endocrinology.,1999

30. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
 Facteurs de transcription
 Systémiques
 Nerveux (?)
 Locaux = microenvironnement
 Cellules: Adipocytes

Vaisseaux: Pression partielle en oxygène
 Facteurs solubles
 Matrice
 Contraintes

31. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
La pression partielle d’oxygène: effets de 21j d’hypoxie chronique chez le rat
J0
7
1.4
5
4
J21
3
**
2
Adipocytes %)
BFR(µm3/µm2/j
)
6
1.3
1.2
1.1
1.0
**
0.9
0.8
0.7
0.6
1
0.5
0
CTRL HYPO
0.4
CTRL HYPO

32. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
 Facteurs de transcription
 Systémiques
 Nerveux (?)
 Locaux = microenvironnement
 Cellules: Adipocytes

Vaisseaux / Pression partielle en oxygène
 Facteurs solubles
 Matrice
 Contraintes

33. Facteurs influençant la balance
ostéoblaste/adipocyte
-BMPs: Bone morphogenetic protéines
-PDGF: Platelet-derived growth factor
-EGF: Epidermal growth factor
- FGF II: basic Fibroblast growth factor,
-TGF : Transforming growth factor-β,
-IGF-1Insulin-like growth factor-1
- Wnts
-
-

34. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
Wnt 10b.
Benett et coll .Proc Natl Acad Sci U S A. 2005; 102(9): 3324–3329.

35. Facteurs influençant la balance ostéoblaste /
adipocyte
 Facteurs de transcription
 Systémiques
 Nerveux (?)
 Locaux = microenvironnement
 Cellules: Adipocytes

Vaisseaux / Pression partielle en oxygène
 Facteurs solubles
 Matrice
 Contraintes

36. PPAR
Les contraintes mécaniques régulent la balance
Ostéblastes / adipocytes in vivo
J4
David V, et coll. Mechanical loading down regulates PPAR{gamma}
in bone marrow stromal cells and favours osteoblastogenesis at the
expense of adipogenesis. Endocrinology. 2007 ;
J4
J7
Ahdjoudj S, et coll. Transforming growth factor beta2
inhibits adipocyte differentiation induced by skeletal
unloading in rat bone marrow stroma. JBMR. 2002, 17

37. Les contraintes mécaniques régulent la balance
OB/adipocytes ex vivo
David V, et al. Mechanical loading down regulates PPAR in bone marrow stromal cells and favours
osteoblastogenesis at the expense of adipogenesis. Endocrinology. 2007

38. Les contraintes mécaniques régulent la balance
OB/adipocytes in vitro
350
PPAR (% U)
300
250
200
150
100
50
0
300
Runx 2 (% U)
250
200
150
100
50
David V, et al. Endocrinology. 2007 Feb 22;
0
Non traité
RosiGTZ

39. Facteurs influençant la balance
ostéoblaste / adipocyte
Rôle de la forme cellulaire
Mc Beath, Developmental Cell. 6, 483, 2004,
Milieu adipogénique Milieu ostéogénique
1000 cells/cm2
25,000 cells/cm2

40. La rigidité de la matrice contrôle l’engagement
des cellules souches vers un lignage spécifique
Engler et coll, Cell 126, 677–689, 2006

41. La rigidité de la matrice contrôle l’engagement
des cellules souches vers un lignage spécifique

42. Conclusions
Chéri, calme toi
laisse moi t’expliquer !
- Plasticité du lignage ostéoblastique est influencée par
de nombreux facteurs dont la manipulation pharmacologique et/ ou mécanique devrait nous permettre
d’obtenir des quantités notables d’ostéoblastes
- Les implications thérapeutiques sont très nombreuses:
ingénierie tissulaire, maladies osseuses métaboliques ,
réparation des fractures….
-Meilleure connaissance nécessaire des mécanismes
moléculaires de différenciation, de « homing »…

43. Remerciements
Etudiants
- Jia Fei
- Valentin David
- Aline Martin
- Céline Faure
- Rhonda Prisby
- Maya Boudiffa
- Mariem Wade
LBTO: L Vico, L Malaval, T Thomas, A
Rattner , C Alexandre, A
Guignandon, MT Linossier, N Laroche, A
Van den Bosche, S Peroche