Régulation de l'ostéo / adipogénèse par le Strontium pour des applications spatiales : implication des RhoGTPases

Regulation of Osteo / Adipogenesis by Strontium for space applications : involvement of RhoGTPases

• Auteur / Autrice : Fiona Louis
• Direction : Alain Guignandon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 25/09/2014
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie intégrative du tissu osseux (Saint-Etienne)
• Jury : Président / Présidente : Anne Blangy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Guignandon, Joëlle Amédée Vilamitjana, Pierre Hardouin, Anthony Perrier, Laurence Vico-Pouget

Mots clés

Mots clés contrôlés

GTPases Rho

Strontium

Lipogenèse

Mots clés libres

Strontium

Culture 3D

VEGF matriciel

RhoGTPases

Impesanteur

Bioréacteur rotatif

Adipogénèse

Ostéogénèse

Strontium

3D culture

VEGF matrix

RhoGTPases

Microgravity

Rotary bioreactor

Adipogenesis

Osteogenesis

Résumé

En impesanteur réelle ou simulée, l'absence de gravité oriente les cellules souches multipotentes de la moelle osseuse à privilégier l’adipogénèse aux dépens de l’ostéogénèse. Ceci entraine une perte osseuse fréquemment rencontrée chez les astronautes lors des vols spatiaux. Parmi les traitements médicamenteux existants, le strontium possède une double action, à la fois activatrice de l'ostéogénèse et inhibitrice de l’adipogénèse. Dans ce contexte, l’objectif général de ce projet de thèse a été de démontrer que le strontium peut être un bon candidat pour contrecarrer les effets de l'impesanteur. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux petites protéines Rho de la famille des GTPases, qui contrôlent le cytosquelette de la cellule, sa tension cellulaire ainsi que de nombreuses voies de signalisation. D'après la littérature, ces signalisations ont aussi été montrées comme étant liées aux voies du VEGF ou au statut oxydant des cellules, impliquées dans l’engagement des cellules souches multipotentes. La première partie de cette étude a permis de montrer l’effet antioxydant du strontium sur la lignée C3H10T1/2 en tant qu’activateur de la GTPase RhoA, permettant l’induction du gène clé de la réponse antioxydante, Nrf2, et par conséquent l’inhibition de l’adipogénèse. La deuxième partie a utilisé comme modèle des cultures 3D sur microbilles de polystyrène recouvertes de collagène pour la culture d'adipocytes, avec l'ajout de minéraux d’apatite pour la culture d'ostéoblastes. Ces billes ont été mises en culture dans un bioréacteur simulant l’impesanteur (Rotating Wall Vessel, RWV, NASA). Sous strontium, cette culture en RWV a favorisé l’ostéogenèse et limité l’adipogénèse, validant l'utilisation du strontium en tant que répresseur des effets délétères de l'impesanteur sur l’os. Nous avons montré que cet effet peut être expliqué d'une part par la stimulation des activités des deux GTPases RhoA et Rac1, et d'autre part par l’induction de l’isoforme matricielle du VEGF chez les ostéoblastes. En revanche, chez les adipocytes, les deux formes solubles et matricielles du VEGF étaient inhibées. De plus, le strontium a induit l'expression du récepteur Flt-1 qui favoriserait l’ostéogénèse. L’ensemble de ces données nous a permis de mieux comprendre les cinétiques de RhoA et Rac1 pendant l’ostéoblastogénèse et l’adipogénèse, ainsi que le rôle important des voies de signalisation du VEGF et du statut oxydant dans l’orientation de la différenciation des cellules multipotentes. Le strontium s’est révélé être un bon inducteur ostéogénique dont les applications fondamentales peuvent amener de nouvelles voies d’utilisation

In real or simulated microgravity, the absence of gravity directs multipotent stem cells from bone marrow to favor adipogenesis at the expense of osteogenesis. This causes a bone loss, commonly found in astronauts during spaceflight. Among existing drug therapies, strontium has a double action, both activating osteogenesis and inhibiting adipogenesis. In this context, the general objective of this project was to demonstrate that strontium may be a good candidate to counteract the microgravity effects. We were particularly interested in small proteins Rho of the GTPases family, which control cell cytoskeleton, cell tension and many signaling pathways. According to the literature, these pathways were also shown to be related to the VEGF singaling or the cell oxidative status, involved in the multipotent stem cells commitment. The first part of this study demonstrated the strontium antioxidant effect on the C3H10T1/2 line as an activator of the GTPase RhoA, allowing the induction of the key antioxidant response gene, Nrf2, and therefore inhibiting adipogenesis. The second part used a 3D cultures model on polystyrene microbeads coated with collagen for the adipocytes culture, and with mineral apatite added for osteoblasts culture. These beads were cultivated in a bioreactor simulating microgravity (Rotating Wall Vessel, RWV, NASA). With strontium, this RWV culture promoted osteogenesis and limited adipogenesis, validating the use of strontium as a repressor of the microgravity deleterious effects on bone. We have shown that this effect can be explained first by the stimulation of both GTPases RhoA and Rac1 activities, and secondly by the induction of the matrix-bound VEGF isoform in osteoblasts. In contrast, in adipocytes, both soluble and matrix-bound VEGF isoforms were inhibited. Moreover, strontium induced Flt-1 receptor expression, which would promote osteogenesis. All these data allowed us to better understand the RhoA and Rac1 kinetics during osteoblastogenesis and adipogenesis, and the important role of VEGF signaling pathways and oxidative status in directing multipotent cells differentiation. Strontium was found to be a good osteogenic inductor whose core applications can bring new ways of use