Heat shock proteins (Hsps) are increasingly being seen as having roles other than those of intracellular molecular chaperones, particularly with regard to their potential to act as cytokines, and to stimulate the innate immune system. Hsps have also been found to promote bone resorption and osteoclast formation in vitro, although the mechanism has not been previously identified. The overall aims of this thesis were to determine whether Hsps could stimulate bone resorption by affecting the RANKL/OPG pathway, and to address the hypothesis that Hsps can act as a danger signal to the innate immune system. In order for Hsps to affect either the RANKL/OPG system of bone resorption or act as danger signals they would need to be actively released from cells, ideally in a controlled manner following exposure to the source of stress. Hsp60 and Hsp70 were found to be released from a range of immune cells including the cell lines Jurkat and U937, and also PBMCs, T-cells and B-cells. This release was not due to cell damage. The release of Hsp60 and Hsp70 were downregulated by inhibitors of protein secretion, in particular Hsp70 release was reduced by compounds that inhibited lysosomal pathways and Hsp60 release by classical secretion inhibitors. Hsp60, Hsp70, GroEL and LPS all affected the RANKL/OPG system of bone regulation; OPG production and release was down-regulated in the MG63 and GCT osteoblast-like cell lines following treatment with Hsp60, Hsp70 and LPS, and RANKL expression was upregulated following treatment with Hsp60, Hsp70, GroEL and LPS. This effect on the RANKL/OPG system was found to translate into an effect on osteoclast formation when conditioned media from treated osteoblasts was added to osteoclast precursors in the presence of M-CSF. A range of different factors that affected Hsp release were identified; PHA activation of PBMCs was found to upregulate Hsp60 release from PBMCs. GroEL and LPS caused an upregulation in Hsp70 release from PBMCs and GCT osteoblast like cells, and Hsp70 was found to stimulate Hsp60 release from PBMCs and GCT cells. These responses of Hsp release were used to form a theory of a cascade-like danger signal that may occur when cells are exposed to bacterial infection and which would result in activation of antigen presenting cells via previously identified receptors for Hsps such as CD14/TLR4 or by unidentified pathways. The elevated release of Hsps in response to GroEL and LPS was also identified as a mechanism that could stimulate bone loss during infection or autoimmuniry by affecting the RANKL/OPG system. hi conclusion, Hsp60 and Hsp70 can be released from immune cells under normal conditions, and from both immune and osteoblast-like cells following stimulation with LPS and other Hsps. The observed release responses provide a mechanism through which Hsps can act as danger signals to the innate immune system, and also as promoters of bone resorption via the RANKL/OPG system.

La maladie osseuse est une complication sévère pour les patients atteints de mucoviscidose (Cystic Fibrosis, CF). Les fractures vertébrales et costales impactent les capacités pulmonaires et la clairance du mucus bronchique. La meilleure prise en charge des symptômes des patients CF a permis l’amélioration de leurs qualité et espérance de vie. Cependant malgré l’optimisation de facteurs impactant le métabolisme osseux aucune amélioration notable n’a été observée dans la fragilité osseuse. Plus de 80% des patients CF sont porteurs de la mutation F508del du gène CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator) sur au moins un allèle. L’implication directe de la mutation F508del dans la maladie osseuse a été montrée, bien que son rôle dans le dysfonctionnement du métabolisme osseux reste encore à élucider. Notre travail a permis de mettre en évidence que la mutation F508del portée par les ostéoblastes humains est responsable d’une dérégulation importante de la voie de signalisation RANK/RANKL/OPG aboutissant à un ratio RANKL/OPG élevé, potentiateur de l’ostéoclastogénèse et de la résorption osseuse. Nous avons également mis en évidence que le contexte inflammatoire chronique de la pathologie pourrait exacerber la perte osseuse, les cellules CF étant plus sensibles à ces stimulations. Par ailleurs, nous avons montré que l’utilisation de molécules pharmaceutiques comme des correcteurs et potentiateurs de CFTR, actuellement utilisés en essais cliniques, permettent une normalisation au moins partielle des dérégulations observées des ostéoblastes CF, et apparaissent comme des nouvelles stratégies thérapeutiques. / Bone disease is a serious complication for patients with Cystic Fibrosis (CF). Rib and vertebral fractures worsen lung function and mucus clearance. Better care of CF patient’s symptoms enable an improvement in life quality and expectancy. Despite optimization of factors impacting bone metabolism no improvement was observed in bone loss of patients with CF. More than 80% CF patients carried the F508del mutation on the CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) gene on at least one allele. The role of the F508del mutation in the dysfunction of bone metabolism is yet unclear, but its involvement has been already shown in clinical studies and mouse models.Our work shown that F508del mutation on human osteoblasts causes a dysregulation in the RANK/RANK-L/OPG signalling leading to a high RANK-L to OPG ratio that may improve osteoclastogenesis, and thus the bone résorption. We also show that chronic inflammatory status of CF patients could exacerbate bone loss because of a high sensitivity of osteoblasts with the F508del-CFTR mutation. In addition, we demonstrate that the use of drugs as CFTR correctors and potentiators cause an improvement of the dysregulation observed and seems to be a promising therapeutic strategy.

Με τον όρο «Έκτοπη Οστεοποίηση» περιγράφεται ο σχηματισμός οστού σε σημεία που υπό φυσιολογικές συνθήκες δεν υφίσταται. Τα σημεία αυτά μπορεί να είναι μύες, τένοντες ή σύνδεσμοι και γενικότερα μεσεγχυματικού τύπου μαλακά μόρια, κυρίως γύρω από τις μεγαλύτερες αρθρώσεις. Η επίκτητη μορφή της νόσου, που είναι και η πιο κοινή, εμφανίζεται μετά από μυοσκελετικούς τραυματισμούς, κακώσεις του νωτιαίου μυελού και του κεντρικού νευρικού συστήματος γενικότερα, αλλά και σε περιπτώσεις σοβαρών εγκαυμάτων. Η παθοφυσιολογία της έκτοπης οστεοποίησης παραμένει άγνωστη, αυτό που γνωρίζουμε με βεβαιότητα είναι ότι για τον σχηματισμό της απαιτούνται τρείς βασικές προϋποθέσεις που είναι α) τα οστεοπρογονικά κύτταρα, β) οι κατάλληλοι επαγωγικοί παράγοντες και γ) το ευνοϊκό οστεοεπαγωγικό περιβάλλον. Στην παρούσα εργασία με την χρήση κυτταρομετρίας ροής, δοκιμασιών με ηλεκτροχημειοφωταύγεια, Elisa και ανοσοπροσδιορισμού με χρήση Cytometric Bead Array προσδιορίσαμε τις συγκεντρώσεις των total procollagen type 1 amino-terminal propeptide (TP1NP), osteoprotegerin (OPG), β-isomerized C-terminal telopeptides (β- Crosslaps), soluble receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (sRANKL), N-MID osteocalcin, S100 και των κυτταροκινών IL-2, IL-4, IL-6, IL-10, INF-γ και TNF-a στον ορό ασθενών και υγιών μαρτύρων. Επιπλέον, στο ολικό αίμα προσδιορίσαμε τον πληθυσμό των θετικών στην οστεοκαλσίνη κυττάρων. Όλα τα προς μελέτη μόρια είχαν άμεση ή έμμεση σχέση με την οστική ανακατασκευή και τις φλεγμονώδεις αντιδράσεις. Συνολικά μελετήθηκαν 55 ασθενείς από τους οποίους ελήφθησαν δείγματα καθόλη την διάρκεια νοσηλείας τους. Οι ασθενείς μελετήθηκαν με βάση το είδος του τραύματος, την εμφάνιση ή όχι έκτοπης οστεοποίησης και την έκβαση της κατάστασης τους. Επιπλέον, οι επιμέρους ομάδες ασθενών μελετήθηκαν συναρτήσει του χρόνου. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι στο σύνολο των ασθενών παρατηρήθηκαν στατιστικά μειωμένα επίπεδα β- crosslaps, N-MID osteocalcin, sRANKL και S100 συγκριτικά με τους υγιείς μάρτυρες. Αντίθετα, τα επίπεδα των TP1NP, των θετικών στην οστεοκαλσίνη κυττάρων, της OPG, της INF-γ και της IL-6 ήταν στατιστικά σημαντικά αυξημένα. Επιπλέον, στατιστικά σημαντικά αυξημένα παρατηρήθηκαν τα επίπεδα του S100 στους ασθενείς που είχαν υποστεί κρανιοεγκεφαλικές κακώσεις κατά το πρώτο εικοσιτετράωρο μετά την επαγωγή της κάκωσης. Στατιστικά σημαντικά αυξημένο επίσης παρατηρήθηκε και στην ομάδα των ασθενών με κακή έκβαση συγκριτικά με τους υγιείς δότες. Στην ίδια ομάδα ασθενών παρατηρήθηκε μια γενικευμένη αύξηση των επιπέδων των κυτταροκινών που φαίνεται να σχετίζεται άμεσα με την κακή έκβαση της κατάστασης τους. Πιο συγκεκριμένα η αύξηση αυτή ήταν στατιστικώς σημαντική για τις IL-4, INF-γ και TNF-α. / Heterotopic ossification (HO) is the presence of bone in soft tissue where normally does not exist. The acquired form, which is also the most common, develops after musculoskeletal trauma, spinal cord injury or central nervous system injury and severe burns. Pathophysiology of OH still remains unclear, what we know is that the formation of ectopic bone requires three entities which are a) osteogenic precursor cells, b) inducing agents and c) an appropriate environment. In the present study using either flow cytometry, Elisa, electrochemiluminescence immunoassays or cytometric bead array assays we determined the concentrations of the osteoblast progenitors: osteocalcin positive cells in peripheral blood and the serum concentrations of total procollagen type 1 amino-terminal propeptide (TP1NP), osteoprotegerin (OPG), β-isomerized C-terminal telopeptides (β- Crosslaps), soluble receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (sRANKL), N-MID osteocalcin, S100 and the cytokines IL-2, IL-4, IL-6, IL-10, INF-γ and TNF-a. All measured molecules participate directly or indirectly in bone formation and metabolism and in inflammation. Our 55 patients were divided and studied in 3 different ways, regarding the kind of their injury, their outcome and the formation of HO. They were also monitored in course of time. Among our most interesting results is that patients had significantly lower levels of β- crosslaps, N-MID osteocalcin, sRANKL and S100 compared to healthy donors. On the other hand, levels of TP1NP, osteocalcin positive cells, OPG, INF-γ and IL-6 were significantly higher. S100 is significantly increased during the first 24 hours in patients who have sustained traumatic brain injury. In addition, S100 was significantly increased in patients with poor outcome compared to healthy donors. Furthermore, patients with poor outcome seem to develop a cytokine storm which is of great importance for their outcome. All measured cytokine levels were increased compared to patients with good outcome. Especially for IL-4, INF-γ, TNF-α this increase was statistically significant.