Rôles de l'ostéopontine et de la sialoprotéine osseuse dans la réponse du squelette aux contraintes mécaniques

Roles of osteopontin and bone sialoprotein in skeletal response to mechanical stimulation

• Auteur / Autrice : Mathieu Maalouf
• Direction : Luc Malaval, Alain Guignandon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie intégrative du tissu osseux (Saint-Etienne) - SAnté INgéniérie BIOlogie Saint-Etienne (Saint-Etienne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Geoffroy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Morin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chantal Chenu, Nicolas Bonnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Os et tissu osseux

Contraintes (mécanique)

Ostéopontine

Mots clés libres

Ostéopontine

Sialoprotéine osseuse

Vibration corps entier

Hypergravité

Réseau lacuno-canaliculaire

Osteopontin

Bone sialoprotein

Whole body vibration

Hypergravity

Lacuno-canalicular network

Résumé

L’ostéopontine (OPN) et la sialoprotéine osseuse (BSP) sont deux SIBLING (Small Integrin-Binding Ligand, N-linked Glycoproteins) co-exprimées par les cellules osseuses et impliquées dans le remodelage et la régulation de la minéralisation. Leurs gènes présentent une réponse rapide aux stimuli mécaniques suggérant un rôle clé dans l’adaptation de l’os à la contrainte. Notre groupe a généré et/ou décrit des modèles murins d’extinction génique (-/-, KO) de la BSP, de l’OPN et double KO (DKO, Bouleftour et al., Bone, 120:411, 2019). Pour mieux comprendre le rôle de l’OPN et de la BSP dans la réponse au stress mécanique, nous les avons testées dans deux modèles : l’hypergravité (HG) et la vibration du corps entier (WBV). Des souris mâles de 2 mois, sauvages (WT), BSP-/-, OPN-/- et DKO (n=10/groupe) ont subi un séjour à 2g pendant 3 semaines en centrifugeuse, ou un régime vibratoire à 2g/90Hz, 15 min/jr pendant 6 semaines sur plateaux vibrants. Fémurs et vertèbres ont ensuite été collectés pour micro-tomographie et histomorphométrie, et les tibias pour RT-qPCR.L’HG augmente le volume trabéculaire (BV/TV) des WT (+20%, p<0.05) et des BSP-/- (+27%, p<0.05) par chute de la résorption et augmentation de la formation, respectivement. Au contraire, l’HG diminue le BV/TV trabéculaire des OPN-/- (-27%, p<0.05) avec augmentation globale du remodelage (BFR/BS : +107%, p<0.05 ; Oc.S/BS : +51%, p<0.01) ainsi que l’expression des marqueurs OCN et TRAcP. Remarquablement, l’HG n’affecte pas l’os trabéculaire des DKO. La WBV n’impacte pas l’os trabéculaire, à l’exception des OPN-/- qui montrent, comme en HG, une baisse du BV/TV (-18%, p<0.05). L’HG a peu d’effet sur l’os cortical des 4 génotypes. La WBV ne modifie pas l’os cortical des WT et des DKO mais réduit l’épaisseur corticale (Ct.Th) des OPN-/- (-9%, p<0.01) par chute de la formation endostée (Ec. BFR/BS : -54%, p<0.01) et hausse de la résorption endostée (Ec. Oc.S/BS : +95%, p<0.05). La WBV augmente remarquablement la Ct.Th des BSP-/- (+7%, p<0.01) par stimulation de la formation endostée (Ec. BFR/BS : +40%, p<0.01) et chute de la résorption périostée (Ps. Oc.S/BS : -68%, p<0.05) ainsi que des marqueurs RANKL et CathK. Un protocole de multi-marquage séquentiel pendant le régime vibratoire a montré que l’augmentation de la formation endostée des BSP-/- (p=0.001, ANOVA 2) et la baisse de celle des OPN-/- (p=0.02, ANOVA 2) est détectable après 2 semaines de WBV. L’analyse du réseau lacuno-canaliculaire a montré que la WBV n’a pas impacté la densité et l’aire lacunaire du réseau formé durant les deux premières semaines de vibration. De manière intéressante, dans le réseau formé pendant les 4 dernières semaines de WBV, la vibration diminue la densité (-17%, p<0,05) et l’aire lacunaire des ostéocytes (-11%, p<0,05) dans les souris OPN-/- alors qu’elle les augmente chez les BSP-/- (+20% pour la densité, p<0,05, +16% pour l’aire, p<0,05).L’HG affecte donc essentiellement l’os trabéculaire et la WBV impacte surtout l’os cortical. Dans les deux régimes, l’absence de BSP, qui entraîne une hausse de l’OPN, est associée à un gain de masse osseuse alors que l’absence d’OPN est associée à une perte. Cependant, l’insensibilité des DKO aux deux régimes indique que la co-expression de BSP et OPN est requise pour une régulation optimale de la réponse du squelette aux défis mécaniques. Ces résultats ont été consolidé par une approche méthodologique nouvelle qui permet de coupler de la dynamique osseuse et l’architecture du réseau lacuno-canaliculaire pour les étudier d’un point de vue spatio-temporel.

Osteopontin (OPN) and bone sialoprotein (BSP) are two SIBLING (Small Integrin-Binding Ligand, N-linked Glycoproteins) co-expressed by bone cells and involved in remodeling and mineralization regulation. Their genes show a rapid response to mechanical stimuli suggesting a key role in bone adaptation to stress. Our group has generated and/or described gene knockout (-/-, KO) mouse models of BSP, OPN and double KO (DKO, Bouleftour et al., Bone, 120:411, 2019). To better understand the role of OPN and BSP in the mechanical stress response, we tested these lines in two models: hypergravity (HG) and whole body vibration (WBV). Two-month-old male wild-type (WT), BSP-/-, OPN-/- and DKO mice (n=10/group) underwent either a stay at 2g for 3 weeks in a centrifuge, or a 2g/90Hz, 15 min/d vibration regimen for 6 weeks on vibration plates. Femurs and vertebrae were then collected for micro-tomography and histomorphometry, and tibias for RT-qPCR.HG increases the trabecular bone volume (BV/TV) of WT (+20%, p<0.05) and BSP-/- mice (+27%, p<0.05) by reducing resorption and increasing formation, respectively. In contrast, HG decreases the trabecular BV/TV of OPN-/- mice (-27%, p<0.05) with overall increase in remodeling (BFR/BS: +107%, p<0.05; Oc.S/BS: +51%, p<0.01) along with increased expression of OCN and TRAcP markers. Remarkably, HG does not affect the trabecular bone of DKO. WBV does not impact trabecular bone, with the exception of OPN-/- mice which show, as in HG, a decrease in BV/TV (-18%, p<0.05). HG has little effect on cortical bone in all 4 genotypes. WBV does not alter cortical bone in WT and DKO but reduces cortical thickness (Ct.Th) in OPN-/- mice (-9%, p<0.01) through decreased endocortical formation (Ec. BFR/BS: -54%, p<0.01) and increased endocortical resorption (Ec. Oc.S/BS: +95%, p<0.05). WBV remarkably increases Ct.Th of BSP-/- (+7%, p<0.01) by stimulating endocortical formation (Ec. BFR/BS: +40%, p<0.01) and reducing periosteal resorption (Ps. Oc.S/BS: -68%, p<0.05) as well as expression of RANKL and CathK markers. A sequential multi-labeling protocol during the vibratory regime shows that the increase of endocortical formation in BSP-/- mice (p=0.001, ANOVA 2) and its decrease in OPN-/- mice (p=0.02, ANOVA 2) is detectable after 2 weeks of WBV. Analysis of the lacuno-canalicular network shows that WBV does not impact the density and lacunar area of the network formed during the first two weeks of vibration. Interestingly, in the network formed during the last 4 weeks of WBV, vibration decreases osteocyte lacunar density (-17%, p<0.05) and area (-11%, p<0.05) in OPN-/- mice whereas it increases these parameters in BSP-/- mice (+20% for density, p<0.05, +16% for area, p<0.05).Thus, HG affects mainly trabecular bone and WBV impacts mainly cortical bone. In both regimen, the absence of BSP, which leads to an increase in OPN, is associated with a gain in bone mass, whereas the absence of OPN is associated with bone loss. However, the insensitivity of DKO bones to both regimen indicates that co-expression of BSP and OPN is required for an optimal regulation of skeletal response to mechanical challenges. These results were consolidated by a novel methodological approach that allowed the parallel study of bone dynamics and lacuno-canalicular network architecture in a spatio-temporal perspective.