Résumé: La Scoliose Idiopathique de l’Adolescent (SIA) est une condition débilitante qui peut avoir comme résultat une douleur importante, une altération du fonctionnement quotidien et une détérioration de la qualité de vie. Pour les patients qui ne répondent pas au traitement conservateur, la fusion vertébrale, en utilisant des greffes osseuses, est devenue un traitement de choix pour stabiliser la colonne. Des connaissances plus pointues à propos des facteurs impliqués dans l’ostéogénèse et la formation de l’os peuvent raccourcir le processus de guérison et permettre aux patients de réintégrer leurs activités dans un laps de temps plus court. Les plaquettes peuvent jouer un rôle important dans la première étape de la guérison des fractures car elles sont une source autologue de plusieurs facteurs de croissance qui soutiennent la prolifération et la différenciation des ostéoblastes in vivo et in vitro. Au cours des dernières années, plusieurs tentatives ont été réalisées afin de trouver des traitements additionnels pour : 1) Raccourcir le temps de guérison des fractures relativement long ; 2) Obtenir une plus courte période de convalescence pour les patients qui ont besoin de prothèses ; 3) Corriger plus facilement plusieurs maladies congénitales; 4) Améliorer le processus de fusion vertébrale et 5) Développer de nouvelles approches thérapeutiques, notamment au niveau des processus régularisant le remodelage osseux et la régénération des tissus osseux. Dans le cadre de la présente étude, j’ai étudié la contribution possible du facteur de croissance de l’insuline (IGF) et du facteur vasculaire endothélial de croissance (VEGF) sur la maturation de l’ostéoblaste scoliotique dans des cultures cellulaires in vitro et j’ai comparé les résultats avec celles obtenues dans les mêmes conditions mais en stimulant les ostéoblastes avec de la mélatonine. Cette étude préliminaire a été réalisée sur des échantillons d’os récoltés de quatre patients atteints par la Scoliose Idiopathique de l‘Adolescent (SIA), ainsi que sur des échantillons d’os issus de quatre sujets témoins (cas traumatiques). Les résultats montrent que l’IGFs et le VEGFs possèdent une action d’inhibition sur la prolifération d’ostéoblastes scoliotiques et non scoliotiques, et que cette action est proportionnelle à la concentration de ces facteurs. Les ostéoblastes scoliotiques tendent à avoir une prolifération cellulaire plus rapide et plus élevée que les témoins non scoliotiques. De façon générale les ostéoblastes provenant de patients scoliotiques ont une ostéogénèse in vitro plus accélérée que le sujet non scoliotique. De plus, il semble que la mélatonine joue un rôle physiologique dans la différenciation de l’ostéoblaste scoliotique et elle semble aider à avoir une différenciation plus précoce que chez les non traités. Les ostéoblastes scoliotiques expriment un défaut d’expression de l’IGF 1 et d’IGF 1R en présence de la mélatonine. En conclusion, le VEGF A et l’IGF 1 peuvent également promouvoir la différenciation et la prolifération des ostéoblastes humains scoliotiques en culture primaire. / Abstract: The Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) is a debilitating condition and as a result often produces significant pain, impaired daily functioning and a deterioration of the quality of life. For patients who do not respond to conservative treatment, spinal fusion using bone grafts has become a treatment of choice to stabilize the spine. The more accurate knowledge of the factors involved in osteogenesis and the bone formation can shorten the healing process and reintegrate patients into their daily activities in a shorter period of time. Platelets can play an important role in the first stage of the healing of fractures and they are a source of several autologous growth factors that support the proliferation and differentiation of osteoblasts in vivo and in vitro. A wide variety of techniques and approaches have been investigated for performing spinal fusion, yet surgeons continue to investigate alternative methods with the goal of improving surgical outcome and minimizing morbidity. We can use these methods to: 1.Reduce the relatively long time needed for healing fractures 2. Patients with prosthesis could benefit of a shorter convalescent time 3. Several congenital diseases could be easier to correct and 4. We could stimulate the vertebral fusion 5. Develop new therapeutic techniques, including that of the processes regulating bone remodelling and regeneration of bone tissue. In the present study, we tried to find whether the insulin growth factor (IGF) and the vascular endothelial growth factor (VEGF) have an influence on the scoliotic osteoblasts in vitro cell cultures and we compared the results with those obtained in the same condition but by stimulating osteoblasts with melatonin. This preliminary study was performed on osteoblasts cultured from four patients affected by Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) and four controls. In all cases of AIS, bone specimens were obtained from the vertebral body or spinous process (in accordance with the surgical procedure performed). Our results show that IGFs as well as VEGF have an inhibitive effect on the proliferation of scoliotic and non-scoliotic cells and the effect is proportional with the growth factor concentration. In general osteoblasts cultured from scoliotic patients have an in vitro osteogenesis quicker than the subject without scoliosis. Moreover, it appears that melatonin plays a physiological role in the differentiation of scoliotic osteoblasts and it appears to help differentiate earlier than in the untreated group. We found that the expression of IGF 1 and IGF 1R in scoliotic osteoblasts was impaired in the presence of melatonin. In conclusion, VEGF A and IGF both can influence the cell differentiation and proliferation of human scoliotic osteoblasts in primary cell culture.

L’ostéoarthrose (OA) se caractérise par une perte du cartilage articulaire, une sclérose osseuse, et une inflammation de la membrane synoviale. Des études in vivo et in vitro indiquent que les modifications du tissu osseux sont responsables de la perte du cartilage articulaire. Les ostéoblastes (Ob) OA présentent une réduction de la réponse à l’hormone parathyroïdienne (PTH), un signal anabolique important pour le tissu osseux, versus les Ob normaux. Le récepteur à la PTH (PTH-R) interagit avec le LRP6, le récepteur des ligands Wnts, et les antagonistes Dickkopf (DKK) bloquent cette interaction. Puisque le niveau de DKK2 est élevé en réponse au TGF-β1 dans les OA Ob, nous proposons que DKK2 altère l’interaction LRP6/PTH-R, le recyclage de PTH-R, et inhibe la réponse à la PTH. Nous avons utilisé des Ob OA et normaux humains en culture primaire. L’expression de PTH-R, LPR6 et DKK2 est mesurée par RT-PCR. Les niveaux protéiques de LRP6, PTH-R et DKK2 ont été déterminés par immunobuvardage. L’inhibition de DKK2 s’est effectuée par siRNA et l’AMP cyclique (AMPc) a été mesurée par ELISA. L’effet de TGF-β1 sur l’expression de DKK2 et PTH-R a été testé sur des cellules d’ostéosarcome SaOS-2. L’expression de PTH-R et LRP6 est similaire entre Ob normaux et OA, mais le niveau protéique de PTH-R est réduit dans les Ob OA. Par contre, l’expression et la production de DKK2 sont plus élevées dans les Ob OA. L’inhibition de DKK2 ne modifia pas l’expression de LRP6 et PTH-R dans les Ob OA mais a augmenté le niveau protéique de PTH-R détecté par immunobuvardage alors que celui de LRP-6 demeura inchangé. L’inhibition de DKK2 dans les Ob OA entraîna une augmentation de PTH-R dans la fraction membranaire et une diminution de la fraction intracellulaire. Les résultats de l'inhibition de la voie de clathrine par le triflupromazine ont montré une expression accrue du récepteur PTH dans la fraction membranaire qui peut être due à l'inhibition de sa dégradation par la voie de clathrine. L’induction de DKK2 dans les cellules SaOS-2 par TGF-β1 entraîna l’inhibition de PTH-R mais non celle de LRP6. L’inhibition de DKK2 dans les Ob OA a stimulé la production d’AMPc en réponse à la PTH par les Ob OA. En outre, le traitement de TGF-β1 dans les cellules SaOS-2 réduit la production d'AMPc en réponse à la PTH.Ces résultats démontrent que les niveaux élevés de DKK2, via l’inhibition de la signalisation Wnt/bcaténine, sont aussi responsables de l’altération de la réponse à la PTH observée dans les Ob OA. Le niveau élevé de DKK2 diminue spécifiquement l’affichage membranaire de PTH-R dans ces cellules et non son expression. Ces résultats suggèrent donc une altération du cross-talk entre LRP6 et PTH-R dans les Ob OA en lien avec leur niveau de DKK2. / Osteoarthritis (OA) is characterized by loss of articular cartilage, bone sclerosis and synovial membrane inflammation. In vivo and in vitro studies indicate that the changes in bone tissue are responsible for the loss of articular cartilage. OA Osteoblasts (Ob) show a reduced response to parathyroid hormone (PTH), an important anabolic signal for bone tissue, versus normal Ob. The PTH receptor (PTH-R) interacts with LRP6, a receptor of Wnt ligands, and DKK antagonists block this interaction. Since DKK2 production is high in OA Ob whereas DKK2 is increased in normal Ob in response to TGF-β1, we propose that DKK2 alters the LRP6/PTH-R interaction, PTH-R recycling and inhibits the response to PTH. We used human OA and normal osteoblasts in primary culture. PTH-R, DKK2 and LRP6 expression were measured by RT-PCR. LRP6, PTH-R and DKK2 protein levels were determined by immunoblotting. Inhibition of DKK2 levels in OA Ob was performed by DKK2-siRNA, and cAMP production was measured by ELISA. The effect of TGF-β1 on DKK2, PTH-R and cAMP production was tested in osteosarcoma cells SaOS-2. In OA Ob, PTH-R and LRP6 mRNA levels were not changed following DKK2 siRNA treatment. However, PTH-R protein expression increased while that for LRP-6 remained unchanged after treatment with DKK2-siRNA. Compared to control, the distribution of PTH-R was higher in the membrane fraction and lower in the intracellular fraction in OA Ob following DKK2 inhibition. In contrast, LRP6 levels remained almost unchanged following these treatments. The results of the inhibition of the clathrin pathway by triflupromazin showed an increased expression of the PTH receptor in the membrane fraction that may be due to inhibition of their degradation by clathrin pathway. In OA Ob, DKK2 inhibition stimulated cAMP production in response to PTH. DKK2 induction by TGF-β1 in SaOS-2 cells, as assessed by qRT-PCR, caused the inhibition of PTH-R protein expression but not of LRP6. In addition, TGF-β1 treatment in SaOS-2 cells reduced cAMP production in response to PTH. These results demonstrate that high levels of DKK2 in OA Ob are responsible for the altered response to PTH. DKK2 antagonists decrease specifically PTH-R membrane display while they do not affect LRP6 recycling. These results suggest an altered cross-talk between LRP6 and PTH-R in OA Ob due to high levels of DKK2 in these cells.

Les patients atteints de la fibrose kystique (FK) ont désormais un âge médian de survie dépassant la cinquantaine. Par contre, avec ce vieillissement surviennent de nouvelles complications dont l'une des plus prévalente est la maladie osseuse associée à la FK. Les souris dont le Cftr est invalidé génétiquement présentent une densité osseuse amoindrie qui découle d’un débalancement du remodelage osseux caractérisé par une diminution de la formation et une augmentation de la résorption osseuse. L'observation que plusieurs modèles murins FK ont un phénotype ostéopénique et ce, même en absence de certains facteurs étiologiques (inflammation chronique, prise de glucocorticoïdes, insuffisance pancréatique etc.) laisse croire que le Cftr, le gène muté dans la FK, joue un rôle non-négligeable dans le métabolisme osseux. Le présent projet étudiera l’impact de l’absence du CFTR, sur les ostéoblastes (Ob) et ostéoclastes (Oc) dans un modèle murin de FK, soit les souris Cftr-/- de souche BALB/c. De plus, les Ob, sont reconnus comme ayant un effet modulateur sur le microenvironnement leucocytaire de la moelle osseuse (MO). Ce projet visera également à investiguer l’impact de l’absence du CFTR sur la niche leucocytaire de la MO. Nos résultats de densitométrie osseuse et de microtomographie à rayons X ont confirmé que les souris Cftr -/- ont une densité osseuse et un contenu minéral osseux abaissé, une diminution du volume osseux trabéculaire, un nombre amoindri de travées osseuses et une plus grande séparation entre les travées comparé aux souris Cftr+/+. Afin de mieux comprendre ce phénotype osseux, nous avons vérifié et confirmé que l’expression génique et protéique du CFTR est présente chez des Ob dérivés de la MO, mais est absent au niveau des Oc dérivés de la MO. Ces observations corroborent nos résultats portant sur la différenciation des cellules osseuses où nous avons démontré que seule la différenciation et fonction ostéoblastique sont affectées par l'absence du CFTR. Ce défaut ostéoblastique semble influencer négativement la leucopoïèse puisque nous observons une quantité moindre de cellules T, de macrophages et de cellules dendritiques chez les souris Cftr -/- vs. Cftr +/+. À la lumière de ces résultats, l'absence du CFTR semble avoir un impact important sur les ostéoblastes et la moelle osseuse. / With cystic fibrosis (CF) patients now being able to live past fifty years of age come a multitude of secondary complications; one of the most important being cystic fibrosis-related bone disease (CFBD). In Cftr-null mice, this disease is caracterized by a low bone mineral density caused by an uncoupled bone remodeling. However, the observation that various models of CF mice display a bone phenotype despite the absence of the usual human confounders (i.e. inflammation, steroid hormone use, pancreatic insufficiency, etc.) led us to propose that CFTR, itself, plays a non-negligible role in the regulation of bone metabolism. This project will study the impact of the absence of CFTR on the osteoblasts (Ob) and osteoclasts (Oc) in a CF mouse model, namely the BALB/c Cftr-/- mice. In addition, Ob are recognized as having a modulating effect on the leukocyte microenvironment of the bone marrow (BM). This project will also investigate the impact of the absence of CFTR on the leukocyte niche in the BM. Our bone densitometry and X-ray microtomography results showed that Cftr -/- mice have lower bone density and bone mineral content vs. Cftr +/+ mice as well as a decrease in trabecular bone volume and trabecular number, and a greater trabecular separation. To further understand this bone phenotype, we confirmed that BM- derived Ob expressed CFTR at the gene and protein level, but not BM-derived osteoclasts. Such observations support our findings showing that only Ob differenciation and function were affected by the absence of CFTR. The osteoblastic defect appears to adversely affect the BM leukopoiesis as decreased numbers of T cells, macrophages and dendritic cells were observed in Cftr -/- mice vs. Cftr +/+. In light of these findings, we believe that the absence of CFTR has an important impact on the Ob and the bone marrow.

Alors que les phases de résorption et de couplage du cycle de remodelage de l’os sont de plus en plus connues et ont permis le développement d’agents thérapeutiques, la phase d’activation reste peu étudiée. L’objectif global de ce travail est d’analyser les évènements cellulaires mis en jeu au cours de la phase d’activation du remodelage de l’os. Les objectifs spécifiques ont été 1- de caractériser le trafic cellulaire dans le périoste au cours de la phase d’activation du remodelage et 2- d’étudier le rôle d’une enzyme, la nicotinamide phosphorybosyl transférase (Nampt) dans ces évènements. Dans notre premier travail, nous montrons dans un modèle de remodelage synchronisé de l’os alvéolaire, une expression précoce de ICAM-1 par les vaisseaux qui serait impliquée dans la diapédèse observée de monocyte-macrophages CD68+. Ces cellules migreraient à travers le compartiment non ostéogénique puis ostéogénique, guidées par des cellules de type fibroblastes puis des OB exprimant VCAM-1. Le nombre des cellules RANKL+ dans le compartiment ostéogénique augmente graduellement lors de la phase d’activation. En parallèle, l’expression de la sémaphorine 3a, qui inhibe l’ostéoclastogénèse, diminue chez les OB et les ostéocytes superficiels. Dans notre second travail, nous trouvons que l’expression basale de la Nampt est accrue dans les cellules de la couche ostéogénique au cours de la phase d’activation du remodelage. Inhiber son activité via le FK866 permet de diminuer l’ostéoclastogenèse indiquant que la Nampt serait impliquée dans le recrutement et l’activité des OC. En culture primaire d’ostéoblastes murins, nous montrons que son expression augmente au cours de la différentiation et qu’elle régule l’expression de marqueurs tardifs de différentiation. L’ensemble de ces données montre une série d’évènements coordonnés qui servent au recrutement des précurseurs ostéoclastiques et à leur migration vers la surface osseuse à résorber. La Nampt semble jouer un rôle dans l’acquisition des ostéoblastes d’un phénotype favorable à ces évènements. / Resorption and inversion phases of bone remodeling are well understood, which have permitted the development of therapeutic agents. At the opposite, activation phase remains poorly characterized. This work aims to analyze cellular events involved in the activation phase of bone remodeling. Specific goals were: 1- To characterize cellular traffic in the periosteum during the activation phase of bone remodeling. 2- To study the role of NicotinAMide Phosphorybosyl Transférase (NAMPT) enzyme during activation. In the first study, we show an early expression of ICAM-1 by vessels in a synchronized alveolar-bone-remodeling model. The ICAM-1 expression may be involved in the observed diapedesis of monocytes – macrophages CD68+. These cells migrate through non osteogenic and osteogenic layers, steered by fibroblast-like cells and then by VCAM+ osteoblasts (OB). The number of RANKL+ cells in osteogenic layer gradually increases during the activation phase. Simultaneously, the expression of semaphorine 3a inhibiting osteoclastogenesis, decreases in osteoblasts and superficial osteocytes. In the second study, we show that basal expression of NAMPT increases in osteogenic-layer cells during the activation phase of bone remodeling. Inhibiting its activity with FK866 enhables to decrease osteoclastogenesis, suggesting an involvement of NAMPT in osteoclast recruitment and activity. In primary culture of murine OB, we show that NAMPT expression increases during differentiation. It also regulates OB late-differentiation markers expression. All these data show a series of coordinated events which serve in osteoclasts precursors’ recruitment and migration towards bone surface. NAMPT seems to contribute to acquiring an OB phenotype more favorable to OC recruitment.

Résumé: La Scoliose Idiopathique de l’Adolescent (SIA) est une condition débilitante qui peut avoir comme résultat une douleur importante, une altération du fonctionnement quotidien et une détérioration de la qualité de vie. Pour les patients qui ne répondent pas au traitement conservateur, la fusion vertébrale, en utilisant des greffes osseuses, est devenue un traitement de choix pour stabiliser la colonne. Des connaissances plus pointues à propos des facteurs impliqués dans l’ostéogénèse et la formation de l’os peuvent raccourcir le processus de guérison et permettre aux patients de réintégrer leurs activités dans un laps de temps plus court. Les plaquettes peuvent jouer un rôle important dans la première étape de la guérison des fractures car elles sont une source autologue de plusieurs facteurs de croissance qui soutiennent la prolifération et la différenciation des ostéoblastes in vivo et in vitro. Au cours des dernières années, plusieurs tentatives ont été réalisées afin de trouver des traitements additionnels pour : 1) Raccourcir le temps de guérison des fractures relativement long ; 2) Obtenir une plus courte période de convalescence pour les patients qui ont besoin de prothèses ; 3) Corriger plus facilement plusieurs maladies congénitales; 4) Améliorer le processus de fusion vertébrale et 5) Développer de nouvelles approches thérapeutiques, notamment au niveau des processus régularisant le remodelage osseux et la régénération des tissus osseux. Dans le cadre de la présente étude, j’ai étudié la contribution possible du facteur de croissance de l’insuline (IGF) et du facteur vasculaire endothélial de croissance (VEGF) sur la maturation de l’ostéoblaste scoliotique dans des cultures cellulaires in vitro et j’ai comparé les résultats avec celles obtenues dans les mêmes conditions mais en stimulant les ostéoblastes avec de la mélatonine. Cette étude préliminaire a été réalisée sur des échantillons d’os récoltés de quatre patients atteints par la Scoliose Idiopathique de l‘Adolescent (SIA), ainsi que sur des échantillons d’os issus de quatre sujets témoins (cas traumatiques). Les résultats montrent que l’IGFs et le VEGFs possèdent une action d’inhibition sur la prolifération d’ostéoblastes scoliotiques et non scoliotiques, et que cette action est proportionnelle à la concentration de ces facteurs. Les ostéoblastes scoliotiques tendent à avoir une prolifération cellulaire plus rapide et plus élevée que les témoins non scoliotiques. De façon générale les ostéoblastes provenant de patients scoliotiques ont une ostéogénèse in vitro plus accélérée que le sujet non scoliotique. De plus, il semble que la mélatonine joue un rôle physiologique dans la différenciation de l’ostéoblaste scoliotique et elle semble aider à avoir une différenciation plus précoce que chez les non traités. Les ostéoblastes scoliotiques expriment un défaut d’expression de l’IGF 1 et d’IGF 1R en présence de la mélatonine. En conclusion, le VEGF A et l’IGF 1 peuvent également promouvoir la différenciation et la prolifération des ostéoblastes humains scoliotiques en culture primaire. / Abstract: The Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) is a debilitating condition and as a result often produces significant pain, impaired daily functioning and a deterioration of the quality of life. For patients who do not respond to conservative treatment, spinal fusion using bone grafts has become a treatment of choice to stabilize the spine. The more accurate knowledge of the factors involved in osteogenesis and the bone formation can shorten the healing process and reintegrate patients into their daily activities in a shorter period of time. Platelets can play an important role in the first stage of the healing of fractures and they are a source of several autologous growth factors that support the proliferation and differentiation of osteoblasts in vivo and in vitro. A wide variety of techniques and approaches have been investigated for performing spinal fusion, yet surgeons continue to investigate alternative methods with the goal of improving surgical outcome and minimizing morbidity. We can use these methods to: 1.Reduce the relatively long time needed for healing fractures 2. Patients with prosthesis could benefit of a shorter convalescent time 3. Several congenital diseases could be easier to correct and 4. We could stimulate the vertebral fusion 5. Develop new therapeutic techniques, including that of the processes regulating bone remodelling and regeneration of bone tissue. In the present study, we tried to find whether the insulin growth factor (IGF) and the vascular endothelial growth factor (VEGF) have an influence on the scoliotic osteoblasts in vitro cell cultures and we compared the results with those obtained in the same condition but by stimulating osteoblasts with melatonin. This preliminary study was performed on osteoblasts cultured from four patients affected by Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) and four controls. In all cases of AIS, bone specimens were obtained from the vertebral body or spinous process (in accordance with the surgical procedure performed). Our results show that IGFs as well as VEGF have an inhibitive effect on the proliferation of scoliotic and non-scoliotic cells and the effect is proportional with the growth factor concentration. In general osteoblasts cultured from scoliotic patients have an in vitro osteogenesis quicker than the subject without scoliosis. Moreover, it appears that melatonin plays a physiological role in the differentiation of scoliotic osteoblasts and it appears to help differentiate earlier than in the untreated group. We found that the expression of IGF 1 and IGF 1R in scoliotic osteoblasts was impaired in the presence of melatonin. In conclusion, VEGF A and IGF both can influence the cell differentiation and proliferation of human scoliotic osteoblasts in primary cell culture.

La culture cellulaire traditionnelle en deux dimensions (2D) ne peut pas reproduire les propriétés des tissus observées dans des organes en trois dimensions (3D). Ces tissus, en particulier les tissus de soutien comme l'os, sont soumis à des contraintes mécaniques, facteurs majeurs de régulation des interactions cellulaires et cellules/matrices. Il y a donc un intérêt croissant pour les modèles 3D, afin de mieux comprendre les différents aspects du fonctionnement cellulaire et du remodelage osseux, dans des systèmes de moindre complexité que les modèles in vivo. Nous nous sommes intéressés ici aux cellules ostéoblastiques et à une de leur protéine matricielle, la sialoprotéine osseuse (BSP). La BSP appartient à la famille des "small integrin-binding ligand N-linked glycoproteins" (SIBLING), impliquées dans le développement, le remodelage et la minéralisation de l'os, et répondant rapidement à la contrainte mécanique. Notre objectif était d'analyser l'impact de cette protéine sur la différenciation ostéoblastique et l'ostéogénèse in vitro à partir de cellules de calvaria de souris présentant une extinction génique de la BSP (BSP-/-) cultivées en 2D et en 3D. Nous avons montré que les cellules BSP-/- présentaient un défaut de formation osseuse et de minéralisation qui est dépendant de la densité cellulaire. Puis nous avons développé et validé un bioréacteur perfusé et stimulable mécaniquement via le système ZetOsTM. Les premiers résultats obtenus avec cet outil contrôlé montrent que l'environnement 3D améliore la différenciation des cellules BSP-/-. Ces travaux restent à développer, notamment pour analyser l'effet des contraintes mécaniques sur ces cellules

L'intégrine β1 appartient à une large famille de récepteurs de première importance pour les interactions cellule/matrice extracellulaire. La délétion spécifique d'un régulateur négatif de l'intégrine β1, ICAP-1α, induit de sévères défauts osseux. Nous avons pu montrer que la perte d'ICAP-1α est accompagnée d'une augmentation de l'activité de l'intégrine β1, affectant le dépôt des matrices de fibronectine et de collagène de type I. De plus, nous avons pu montrer qu'ICAP-1α a une action antagoniste sur le recrutement de la kindline-2 au niveau du domaine cytoplasmique de l'intégrine β1 (Brunner et al. JCB 2011). Nous nous sommes ensuite intéressés au rôle de l'intégrine β1 elle-même dans l'ostéogenèse afin de comprendre comment les ostéoblastes intègrent les signaux du microenvironnement pour coordonner la formation et le remodelage osseux. Dans cette optique, nous avons généré un modèle de souris délétées pour l'intégrine β1 spécifiquement dans les ostéoblastes en cours de maturation. Ces souris présentent un sévère phénotype osseux caractérisé par des réductions importantes de la minéralisation et de la dynamique osseuse, ainsi que des déformations osseuses et des fractures rappelant le syndrome d'Ostéoporose Juvénile. L'analyse in vitro d'ostéoblastes n'exprimant pas l'intégrine β1 a révélé un défaut majeur de prolifération impliquant non pas la voie canonique MAPK/ERK mais plutôt un défaut d'activation du co-facteur de transcription YAP. De plus, nous avons pu montrer que les intégrines β1 régulaient le niveau d'AMP cyclique (AMPc) dans les ostéoblastes et que ceci était corrélé à l'inactivation de YAP. De même, nous avons pu relier l'inactivation de YAP à la dynamique d'endocytose des rafts. Finalement, des analyses in vivo et in vitro ont révélé un défaut fonctionnel des ostéoblastes dépourvus d'intégrine β1. Nous avons pu montrer que cette incapacité fonctionnelle était due à une réduction de la réponse au BMP-2, facteur de croissance ostéoblastique majeur, non pas au niveau de son récepteur mais probablement au niveau de l'activation des promoteurs BMP-dépendants. Nos résultats montrent ainsi que l'intégrine β1 est un régulateur clé de la prolifération ostéoblastique dépendante de YAP et de la signalisation BMP régulant la fonction ostéoblastique, la minéralisation et la formation osseuse. / Β1 integrins belong to a large family of receptors that have been shown to be of paramount importance for cell/extracellular matrix interactions. The ablation of the specific β1 integrin regulator ICAP-1α results in severe bone and mineralization defects. By combining mouse and cell biology we could demonstrate that loss of ICAP-1α was accompanied by an increase of β1 integrin activity that affects fibronectin and collagen deposition. Moreover, we could show that ICAP-1 is an important negative regulator of kindlin-2 recruitment on β1 integrin cytoplasmic domain (Brunner et al. JCB 2011). We then wanted to address the functional role of β1 integrin per se in osteogenesis and to understand how osteoblasts integrate environmental cues to coordinate bone formation and remodeling. For this we generated osteoblast specific β1 integrin deficient mice. These mice showed severe bone defects characterized by reduced bone mineralization and dynamic, as well as bending and fractures reminding human Juvenile Osteoporosis symptoms. In vitro analyses of β1 integrin deficient osteoblasts revealed proliferation defect which is not due to defective canonical MAPK/ERK pathway, but rather to defective activity of the co-transcription factor YAP. Then, we showed that β1 integrins are regulating cAMP level in osteoblasts and that the cAMP level correlates with YAP inactivation. We also linked YAP inactivation with raft endocytosis. Finally, in vivo and in vitro analyses revealed a functional incapacity of β1 integrin deficient osteoprecursors. We could show that the lazy phenotype of β1 integrin deficient osteoblasts is likely due to a reduced response to BMP signaling, a major osteoblast growth factor. Taken together, our findings demonstrate that β1 integrin is a key regulator of YAP-dependent osteoblast proliferation and BMP signaling allowing osteoblast functionality, mineralization and bone formation.

Les infections ostéo-articulaires à Staphylococcus aureus sont des pathologies fréquentes dont les conséquences peuvent aller de la simple altération cellulaire à un retard de la réparation osseuse ou une réponse inflammatoire excessive. Afin d’étudier ce phénomène, nous avons, dans un premier temps, développé deux modèles d’infections in vitro faisant interagir Staphylococcus aureus et des cellules osseuses primaires issues d’explants chirurgicaux humains. Ces cellules ont été préalablement cultivées dans un milieu standard ou un milieu ostéogénique afin d’obtenir 2 populations à des stades de maturation différents. L’étude de l’internalisation de Staphylococcus aureus, de la mortalité cellulaire et de la production de médiateurs inflammatoires pour ces 2 populations a permis d’établir si l’impact de Staphylococcus aureus variait en fonction de la maturation cellulaire. Dans un second temps, nous avons étudié l’impact de Staphylococcus aureus sur des cellules souches mésenchymateuses dérivées du cordon ombilical. En effet, dans le cadre d’une régénération osseuse en site infecté, les cellules souches mésenchymateuses pourraient être amenées à interagir avec Staphylococcus aureus. Nous avons donc caractérisé la capacité de ces cellules à internaliser Staphylococcus aureus, à survivre face à l’infection et à produire des médiateurs inflammatoires dans notre modèle in vitro d’infection aiguë. Ce projet nous a permis de valider nos modèles d’infection in vitro et de caractériser l’impact de Staphylococcus aureus sur différentes cellules du microenvironnement osseux, donnant ainsi de nouvelles pistes pour le développement de stratégies pour la lutte antibactérienne et l’ingénierie tissulaire osseuse. / Staphylococcus aureus-related bone and joint infections are common diseases whose consequences can range from simple cell damage to delayed bone repair or excessive inflammatory response. To study this phenomenon, we have developed two models of in vitro infection with Staphylococcus aureus and primary bone-forming cells derived from human surgical explants. These cells have been previously cultured in a standard medium or osteogenic medium to obtain two populations at different stages of maturation. The study of Staphylococcus aureus internalization, cell death and production of inflammatory mediators in these 2 populations allowed us to establish whether the impact of Staphylococcus aureus varied depending on cell maturation. We also studied the impact of Staphylococcus aureus on mesenchymal stem cells derived from umbilical cord. In case of bone regeneration in infected site, mesenchymal stem cells may have to interact with Staphylococcus aureus. Therefore, we characterized the ability of these cells to internalize Staphylococcus aureus, to survive against the infection and to produce inflammatory mediators in our in vitro model of acute infection. This project allowed us to validate our in vitro infection models and to characterize the impact of Staphylococcus aureus on different cells in the bone microenvironment, providing new approaches for the development of antibacterial strategies and bone tissue engineering.

La culture cellulaire traditionnelle en deux dimensions (2D) ne peut pas reproduire les propriétés des tissus observées dans des organes en trois dimensions (3D). Ces tissus, en particulier les tissus de soutien comme l'os, sont soumis à des contraintes mécaniques, facteurs majeurs de régulation des interactions cellulaires et cellules/matrices. Il y a donc un intérêt croissant pour les modèles 3D, afin de mieux comprendre les différents aspects du fonctionnement cellulaire et du remodelage osseux, dans des systèmes de moindre complexité que les modèles in vivo. Nous nous sommes intéressés ici aux cellules ostéoblastiques et à une de leur protéine matricielle, la sialoprotéine osseuse (BSP). La BSP appartient à la famille des "small integrin-binding ligand N-linked glycoproteins" (SIBLING), impliquées dans le développement, le remodelage et la minéralisation de l’os, et répondant rapidement à la contrainte mécanique. Notre objectif était d’analyser l’impact de cette protéine sur la différenciation ostéoblastique et l’ostéogénèse in vitro à partir de cellules de calvaria de souris présentant une extinction génique de la BSP (BSP-/-) cultivées en 2D et en 3D. Nous avons montré que les cellules BSP-/- présentaient un défaut de formation osseuse et de minéralisation qui est dépendant de la densité cellulaire. Puis nous avons développé et validé un bioréacteur perfusé et stimulable mécaniquement via le système ZetOsTM. Les premiers résultats obtenus avec cet outil contrôlé montrent que l’environnement 3D améliore la différenciation des cellules BSP-/-. Ces travaux restent à développer, notamment pour analyser l’effet des contraintes mécaniques sur ces cellules / Traditional (2D) cell culture cannot reproduce the tissue properties observed in 3 dimensional organs (3D). Weight-bearing organs such as bone are subjected to mechanical stresses, which are major regulating factors for cell and cell/matrix interactions. There is thus a growing interest in 3D culture models, in order to better understand the different aspects of cell function and bone remodeling in systems less complex than in vivo models. We are interested here in the osteoblastic cells and in one of their matrix proteins, the bone sialoprotein (BSP). BSP belongs to the family of the "small integrin -binding ligand N -linked glycoproteins" (SIBLING), involved in the development, remodeling and mineralization of bone, and responding quickly to mechanical stress. Our goal in this work was to analyze the impact of the absence of this protein on osteoblast differentiation and bone formation in vitro from mouse calvarial cells (MCC) with a gene knockout of BSP (BSP-/-), grown in 2D and 3D. We have shown that BSP-/- cells have a defect in bone formation and mineralization which is cell density dependent. We have developed and validated a perfused bioreactor able to apply mechanical stress to culture scaffolds via the ZetOsTM system. Our first results with this powerful tool show that a 3D environment improves BSP-/- cells differentiation. This work remains to be developed, in particular to analyze the effects of mechanical stress on these cells

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.