Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le rachitisme hypophosphatémique lié à l’X (XLH), MEPE (Matrix Extracellular PhosphoglycoprotEin), une protéine non collagénique impliquée dans la biominéralisation, subit un clivage pathologique de son extrémité C-terminale. Les peptides ainsi libérés sont porteurs d’un domaine ASARM (acidic serine- and aspartate- rich motif) très conservé dans l’évolution. ASARM inhibe la réabsorption tubulaire du phosphate et la minéralisation de la matrice extracellulaire osseuse. Précédemment, notre équipe a identifié des taux élevés de ce peptide ASARM dérivé de MEPE dans la dentine issue de patients XLH. Ce travail a pour objectif principal d’étudier l’effet d’ASARM sur la minéralisation dentinaire afin de mieux comprendre son implication dans les anomalies dentaires observées chez les malades. Des lattis de collagène ensemencés avec des cellules souches pulpaires SHEDs (Dental pulp stem cells derived from deciduous teeth) englobés dans une tranche de dent humaine ont été cultivés dans des conditions d’induction odontoblastique avec et sans 20 µM de chacune des formes phosphorylé (p-ASARM) ou non phosphorylé (np-ASARM) du peptide recombinant. La minéralisation a été appréciée par microscopie électronique à balayage et colorations de von Kossa. L’expression des marqueurs odontogéniques (DSPP, ostéocalcine, MEPE) a été évaluée par immunohistochimie, qPCR et Western-blot. Parallèlement, des billes d’agarose imprégnées p-ASARM et np-ASARM ont été implantées dans un modèle d’effraction pulpaire chez le rat, dans lequel un pont de dentine de réparation se forme spontanément. La minéralisation dans la chambre pulpaire a été évaluée par micro-CT et immunohistochimie. Dans le modèle in vitro 3D, p-ASARM a inhibé la différenciation des SHEDs, ce qui s’est traduit par 1) l’absence de formation de nodule de minéralisation, 2) la diminution des marqueurs odontogéniques, 3) la surexpression de MEPE, comparativement au contrôle ou au traitement du milieu par np-ASARM. In vivo, p-ASARM a perturbé le processus de réparation dentinaire et a entrainé une surexpression de MEPE. Ces résultats confirment notre hypothèse selon laquelle p-ASARM inhibe la différenciation odonblastique et la minéralisation de la dentine. De plus, l’effet inducteur de p-ASARM sur l’expression de MEPE suggère l’existence d’une boucle de rétrocontrôle positif impliquée dans l’étiopathogénie du XLH. Ainsi, les défauts de minéralisation de la dentine hypophosphatémique sont probablement une conséquence de la libération du peptide ASARM dans la matrice extracellulaire. / In X-linked familial hypophosphatemic rickets (XLH), MEPE (Matrix Extracellular PhosphoglycoprotEin) is cleaved, releasing phosphorylated ASARM (acidic serine- and aspartate- rich motif) peptides that inhibit mineralization of bone extracellular matrix (ECM), and renal tubular phosphate reabsorption. We recently identified high levels of MEPE-derived ASARM peptides in human XLH dentin. The present study was aimed to investigate their effects on dentin mineralization in order to better understand their role in the etiology of tooth abnormalities observed in XLH patients. Dental pulp stem cells derived from deciduous teeth (SHEDs) were seeded in a collagen scaffold, cultured in human tooth slices under mineralizing conditions as a control, and with 20 µM of either phosphorylated (p-ASARM) or non-phosphorylated (np-ASARM) MEPE-derived ASARM peptides. Mineralization was assessed by scanning electron microscopy and von Kossa staining. Odontogenic markers (DSPP, osteocalcin, MEPE) were assessed by immunohistochemistry, RT-PCR and Western blot. In parallel, agarose beads soaked with recombinant ASARM peptides were implanted in a rat pulp injury model where a reparative dentin bridge is spontaneously formed; the repair process was evaluated by micro-CT and IHC. In the tooth slice culture model, p-ASARM inhibited SHED differentiation, with 1) no formation of mineralization nodule, 2) decreased odontogenic marker expression, and 3) up-regulation of MEPE expression, in contrast with np-ASARM and control. In the rat pulp injury model, p-ASARM impaired the formation of the reparative dentin bridge and increased MEPE expression. The present data support our hypothesis that p-ASARM impairs odontogenic differentiation process and the resulting mineralization of dentin. Moreover, the identification of a stimulating effect of p-ASARM on MEPE expression suggests a positive feedback loop in the pathogenicity of XLH disease. Accordingly, the mineralized defects in XLH tooth dentin may be a direct consequence of the release of ASARM peptides in the ECM.

Le rachitisme vitamino-résistant hypophosphatémique (RVRH) est une maladie génétique rare causée par des mutations du gène PHEX. La perte de fonction de la protéine PHEX conduit à l’augmentation du FGF23, une hormone circulante qui agit sur le rein et entraîne une perte systémique de phosphate. Le squelette rachitique des patients atteints de RVRH présente des déformations osseuses et une ostéomalacie. La dentine hypominéralisée des patients est à l’origine d’abcès dentaires fréquents, mais le statut parodontal des patients RVRH est mal connu, de même que leur risque de développer une parodontite pouvant aboutir à la perte des dents. La fonction et le substrat de la protéine PHEX ne sont pas identifiés avec exactitude. Il a été montré in vitro que PHEX avait la capacité d’interagir et de dégrader des protéines membres de la famille des SIBLINGs comme MEPE ou OPN, toutes les deux impliquées dans la régulation de la minéralisation des tissus osseux et dentinaires, mais on ne sait pas si in vivo les défauts de minéralisation observés résultent principalement de l’hypophosphatémie systémique ou bien également des effets directs de l’absence de PHEX sur les protéines régulatrices de la minéralisation. L’objectif de cette thèse a consisté à s’intéresser à la physiopathologie du parodonte dans le RVRH ainsi qu’à déterminer quel était l’impact de la mutation de PHEX dans un modèle de biominéralisation humaine où les conditions de concentration en phosphate pouvaient être ajustées et normalisées. Nous avons d’abord analysé le statut parodontal de 34 patients RVRH dans une étude clinique cas-témoins et ainsi montré que les malades dont la supplémentation en phosphate et vitamine D était tardive ou incomplète présentaient une fréquence et une sévérité accrues de maladie parodontale. Le phénotype parodontal du RVRH a alors été étudié sur des échantillons humains et sur le modèle murin du RVRH, la souris HYP. Nous avons réalisé un modèle d’égression dentaire de façon à permettre une apposition du cément cellulaire, ainsi qu’un modèle de résorption et de réparation osseuses parodontales afin de caractériser l’impact du RVRH sur la physiopathologie parodontale. Nos résultats ont montré que le phénotype parodontal et sa physiopathologie étaient très perturbés dans le rachitisme vitamino-résistant hypophosphatémique et chez la souris HYP, nous avons aussi pu mettre en évidence que le rôle pathologique majeur joué par l’ostéopontine dans le tissu osseux au cours du RVRH ne pouvait pas être généralisé aux autres tissus minéralisés du parodonte. De façon à identifier le rôle de PHEX dans la minéralisation matricielle locale indépendamment de la phosphatémie systémique, nous avons ensemencé des matrices de collagène dense avec des cellules primaires humaines issues de patients RVRH comparés à des contrôles que nous avons cultivés pendant 24 jours en conditions ostéogéniques avec des concentrations en phosphate identiques. Nos résultats ont montré que malgré une concentration normale en phosphate, la perte de fonction de la protéine PHEX entraînait une diminution de la quantité et de la qualité de la phase minérale et une accumulation et une dégradation pathologiques de la protéine OPN. Les contributions originales de ce travail de thèse doctorale ont consisté à démontrer sur le plan clinique et biologique la susceptibilité accrue du rachitisme hypophosphatémique lié à l’X quant au risque de développer une maladie parodontale, ainsi qu’à apporter la preuve d’un rôle pathologique de l’absence de PHEX indépendant de la phosphatémie sur des cultures primaires humaines. / X-linked hypophosphatemia (XLH) is a rare X-linked dominant disorder caused by inactivating mutations in the PHEX gene. The impairment of PHEX protein leads to an increase in FGF23, a circulating factor that causes systemic loss of phosphate. The rachitic skeleton of patients with XLH displays short stature and osteomalacia. Dental defects include poorly mineralized dentin and spontaneous dental abscesses. Little is known about the periodontal condition of XLH and if patients are more prone to develop periodontitis, eventually leading to tooth loss. Although the exact function and substrate of PHEX are not known, it has been shown in vitro that PHEX could interact with SIBLING proteins such as MEPE or OPN, both involved in the regulation of bone and dentin mineralization, but it is not yet clear if the defects in the calcified extracellular matrices of XLH are caused by systemic hypophosphatemia only, or also by local consequences of the absence of PHEX. The aim of this doctoral dissertation was to explore the pathobiology of the XLH periodontium and to determine the impact of PHEX deficiency at the local level in a model of human biomineralization where phosphate supply could be adjusted and normalized. We first examined 34 adults with XLH in a case-control study and observed that periodontitis frequency and severity were increased in individuals with late or incomplete supplementation in phosphate and vitamin D analogs. The periodontium was then analyzed in XLH dental roots and further characterized in the Hyp mouse, the murine model of XLH. We performed a model of tooth movement adaptation leading to the formation of cellular cementum and a model of periodontal breakdown and repair to investigate the impact of XLH on the pathobiology of periodontal tissues. Our results showed strongly affected XLH/Hyp periodontal phenotype and impaired pathobiology and suggested that the key role played by OPN in bone could not be generalized to other periodontal mineralized tissues. In order to determine the role of PHEX in local human mineralization, dense collagen gels were seeded with primary human dental pulp cells harvested from XLH patients displaying PHEX mutations and age-matched healthy individuals. Cell-seeded gels were cultured up to 24 days under osteogenic conditions and controlled phosphate medium concentrations. Our results showed that despite normal phosphate concentrations, PHEX deficiency led to decreased quantity and quality of the mineral phase and a pathologic accumulation and processing of OPN. Overall the original contributions of this doctoral dissertation consist in the demonstration of a higher susceptibility of XLH patients to periodontitis and in the evidence of a local effect of PHEX deficiency in the pathologic intrinsic mineralization from XLH osteogenic cells.