Ostéogenèse ectopique après lésion complète du système nerveux central : étude des voies d'induction dans un modèle murin d'ossifications hétérotopiques neurogènes

par Charlotte Debaud

Projet de thèse en Sciences chirurgicales

Sous la direction de François Genet.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....) , en partenariat avec ENDICAP - Handicap Neuromusculaire : Physiopathologie, Biothérapie et Pharmacologie appliquées (laboratoire) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    Le développement d'ossifications hétérotopiques neurogènes (NHO) symptomatiques concerne 15 à 30% des traumatisés crâniens ou blessés médullaires. L'excision chirurgicale de ces ossifications devenues compressives ou ankylosantes reste la seule alternative thérapeutique par manque de stratégie préventive efficace. Malgré l'identification récente de certains effecteurs moléculaires et cellulaires, il persiste de nombreuses inconnues concernant la physiopathologie des processus d'ostéogenèse ectopique. Les études fondamentales sur le sujet ont connu un véritable essor ces dernières années, avec la mise en place de modèles animaux robustes, basés pour la plupart sur une surexpression de la voie de signalisation des Bone Morphogenetic Proteins (BMP). En 2015, les travaux du Pr Genêt (Université de Versailles Saint Quentin) ont permis l'élaboration et la validation d'un nouveau modèle murin de NHO, basé sur l'association d'une lésion du système nerveux central et de lésions myo-fibrillaires par injection intramusculaire de cardiotoxine. N'impliquant aucune action directe sur la voie de signalisation BMP, ce modèle de NHO acquises présente l'intérêt d'être partiellement transposable. Il constitue ainsi un support expérimental offrant des perspectives d'identification et de compréhension des mécanismes bio-cellulaires impliqués chez les patients atteints de para-ostéo-arthropathie neurogène. Les premiers travaux effectués sur ce modèle ont mis en évidence l'effet inducteur de processus inflammatoires médiés par les macrophages de type 2 et l'implication de boucles de régulation neuro-endocrine. Néanmoins, la nature du lien de causalité entre lésion du système nerveux central et reprogrammation pathologique de progéniteurs cellulaires vers la voie de l'ostéogenèse reste à caractériser. Il semble pertinent dans ce contexte de s'intéresser aux BMP puisque les données de la littérature soulignent leur rôle central dans la régulation du système neuro-osseux. Notre hypothèse expérimentale est la suivante : la section de moelle épinière chez la souris C57Bl6 implique le relargage systémiques de neuromédiateurs, à l'origine d'une surexpression endogène de la voie de signalisation BMP par les cellules endothéliales de la micro vascularisation locale. En présence de lésions musculaires provoquées par la cardiotoxine, ce microenvironnement moléculaire est susceptible de perturber les mécanismes de régénération myofibrillaire et d'aboutir à une ostéogenèse ectopique. Ce projet expérimental présente plusieurs objectifs : 1. démontrer l'implication endogène de la voie de signalisation BMP dans notre modèle et en identifier la ou les sources de production paracrine 2. démontrer les effets d'une lésion neurologique sur l'expression BMP et sur l'induction du processus d'ostéogenèse ectopique 3. caractériser la nature et le fonctionnement des effecteurs moléculaires et cellulaires responsables du système de régulation « neuro-osseux » La méthodologie envisagée pour répondre à ces objectifs est la suivante : Les protocoles expérimentaux à mettre en place se baseront sur le modèle murin de NHO, développé à l'UVSQ. Les procédures chirurgicales effectuées seront la section de moelle épinière, la procédure de dénervation périphérique et l'injection intramusculaire de cardiotoxine. Les prélèvements tissulaires seront réalisés après sacrifice des animaux à 28 jours post opératoire. Une analyse exhaustive de la voie de signalisation des BMP et de l'expression de neuromédiateurs (substance P, CGRP) en QPCR sur les muscles développant des ossifications sera effectuée. Elle sera complétée par une analyse histologique avec immuno-marquage et par une analyse en imagerie microCT des prélèvements musculaires.

  • Titre traduit

    Towards an identification of molecular signaling pathways leading to intramuscular ectopic osteogenesis in a new mouse model of acquired heterotopic ossification


  • Résumé

    Heterotopic ossification (HO) is a common cause of morbidity in patients suffering from traumatic brain or spinal cord injuries. Surgical resection is very often the only therapeutic choice when ossifications are symptomatic and painful. No medical preventive treatment is currently available. Despite recent identification of molecular and cellular effectors, pathological mechanisms associated with ectopic osteogenesis are still to be elucidated. Over the last decades, most of HO mouse models which have been developed, were based on experimental overexpression of Bone Morphogenetic Proteins (BMP) signaling pathway. In 2015, Pr Genêt et al published a new mouse model of HO, requiring spinal cord injury and intramuscular cardiotoxin injection. This animal model of acquired HO is one of the closest to what can be observed in real clinical situations. Therefore, it offers promising outlook in terms of understanding human pathophysiology. Previous studies already highlighted major role of macrophages and neuromediators in this process, but there is still uncertainty about exact mechanisms leading from central neurologic injury to ectopic osteogenesis. We know that BMP signaling pathway plays a crucial role in both bone and nerves remodeling. It's why we deemed necessary to study its implication in our mouse model. We hypothesized that spinal cord injury in C57Bl6 mice leads to systemic release of neuromediators which results in BMP overexpression by endothelial cells of local microvasculature. After cardiotoxin muscular damage, this specific molecular microenvironment mediates pathological muscular regeneration and resultant ectopic osteogenesis. Objectives of this doctoral project are: 1. To highlight BMP signaling pathway involvement in our HO mouse model and to identify BMP synthesizing cells. 2. To precise the effects of neurologic injury on intra muscular BMP expression and how it can lead to ectopic osteogenesis. 3. To improve global understanding of bone-nerve regulation in normal and pathological situations. Planned methods are: Experimental protocol based on HO mouse model developed at Versailles Saint-Quentin University, involving surgical procedures already described (spinal cord and peripheral nerves section, intra muscular cardiotoxin injections). Tissular samples will be harvested at day 28 post surgery. Complete analysis of BMP signaling pathway and neuromediators will be performed using QPCR on affected muscles. It wil be supplemented by Histological, immunohistochemical techniques and micrCT imaging.