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.

L'ostéoclaste est une cellule spécialisée dans la résorption de la matrice osseuse. Elle présente une organisation différente de l'actine selon les substrats sur lesquels elle est ensemencée. Sur verre ou plastique, l'actine est sous forme de "podosomes", alors que sur un substrat résorbable, elle se ré-organise en une ceinture conttinue, la zone de scellement (SZ). L'étude de cellules déficientes en WIP nous a permis de démontrer qu'un ostéoclaste sur verre forme 2 domaines d'actine distincts: les coeurs de podosomes et le nuage. Ces 2 domaines sont induits par différents récepteurs, CD44 et Beta3, polymérisés par des voies distinctes, et ont pour fonction l'adhérence et la contraction. Ils se ré-organisent en une unique structure, la SZ, quand l'ostéoclaste est transféré sur un substrat résorbable. Nous avons également démontré que le maintien de la ceinture de podosomes dépend d'un réseau de microtubules intact.

Le remodelage osseux est un processus physiologique de renouvellement de l'os ancien par de l'os nouveau. Les ostéoclastes sont des cellules multinucléées géantes dont la fonction principale est de dégrader la matrice osseuse, première étape de ce remodelage. Le travail réalisé s'inscrit dans une thématique d'expertise de notre laboratoire, celle de l'organisation du cytosquelette d'actine dans les ostéoclastes résorbants. Nous avons pu élucider le rôle de la formation des podosomes et de leur organisation collective sur l'adhérence et la migration ostéoclastique. Nos résultats ont démontré que l'assemblage de podosomes sous forme de structures circulaires dites " anneaux " exerce une force centripète sur le substrat et ainsi déclenche la migration de l'ostéoclaste. L'alternance entre apparition et disparition de ces anneaux au sein de la cellule résulte en une migration saltatoire universelle pour tous les ostéoclastes.L'objectif principal de cette thèse était de trouver de nouveaux gènes impliqués dans l'organisation des podosomes. Nous avons mis en place une analyse transcriptomique comparant les ostéoclastes avec d'autres cellules multinucléées géantes qui présentent des podosomes mais sont incapables de résorber l'os. Parmi la liste de six gènes établie par cette méthode, nous avons étudié RhoE. En exploitant la culture d'ostéoclastes primaires déplétés de RhoE, nous avons démontré que ce gène est essentiel pour la migration ostéoclastique et la résorption osseuse. Nous avons ensuite établi que RhoE agit comme antagoniste de la voie de Rock pour assurer le renouvellement d'actine au sein des podosomes, ce qui entretien la fonction ostéoclastique.

Des charges cycliques élevées induisent la formation de microfissures dans l'os, déclenchant un processus de remodelage ciblé, mené par les ostéoclastes et suivi par les ostéoblastes, visant à réparer et à prévenir l'accumulation des dommages. L'os de cheval de course est un modèle idéal pour étudier les effets d'une charge de haute intensité, car il est sujet à une accumulation focale de microfissures et à la résorption qui s'ensuit dans les articulations. Les ostéoclastes équins ont rarement été étudiés in vitro. Le volume de résorption des ostéoclastes est considéré comme un paramètre direct de l'activité des ostéoclastes, mais des méthodes indirectes de quantification en 2D de la résorption osseuse sont plus souvent utilisées. L'objectif de cette étude était de développer une méthode précise, à haut débit et assistée par l'apprentissage profond pour quantifier le volume de résorption des ostéoclastes équins dans les images micro tomodensitométrie (µCT) 3D. Des ostéoclastes équins ont été cultivés sur des tranches d'os équins, imagés par μCT avant et après la culture. Le volume, le ratio de forme et la profondeur maximale de chaque événement de résorption ont été mesurés dans les images volumétriques de trois tranches d'os. Un convolution neural network (CNN) a ensuite été entraîné à identifier les événements de résorption sur les images μCT post-culture, puis le modèle a été appliqué à des tranches d'os d'archives (n=21), pour lesquelles l’aire de résorption en 2D, et la concentration du biomarqueur de résorption CTX-I étaient connues. Cela a permis d'obtenir des informations 3D sur la résorption des tranches d’os pour lesquels aucune imagerie n'avait été réalisée avant la mise en culture. La valeur modale du volume, la profondeur maximale et le ratio de forme des événements de résorption discrète étaient respectivement de 2,7*103µm3, 12 µm et 0,18. Le volume de résorption moyen par tranche d'os archivés était de 34155,34*103µm3. Le volume de résorption mesuré par le CNN était en forte corrélation avec les mesures de CTX-I (p <0,001) et d’aire (p <0,001). Cette technique de segmentation des images µCT des coupes osseuses assistée par apprentissage profond pour quantifier le volume de résorption osseuse des ostéoclastes équins permettra des recherches futures plus précises et plus approfondies sur l'activité des ostéoclastes. Par exemple, les effets antirésorptifs de médicaments tels que les corticostéroïdes et les bisphosphonates pourront être étudiés à l'avenir. / High cyclic loads induce the formation of microcracks in bone, initiating a process of targeted remodeling, led by osteoclasts, and followed by osteoblasts, aimed at repairing and preventing accumulation of damage. Racehorse bone is an ideal model for studying the effects of high-intensity loading, as it is subject to focal accumulation of microcracks and subsequent resorption within joints. Equine osteoclasts have rarely been investigated in vitro. The volume of osteoclast resorption is considered a direct parameter of osteoclast activity, but indirect 2D quantification methods are used more often. The objective of this study was to develop an accurate, high-throughput, deep learning-aided method to quantify equine osteoclast resorption volume in µCT 3D images. Equine osteoclasts were cultured on equine bone slices, imaged with μCT pre- and post-culture. Volume, aspect ratio (shape factor) and maximum depth of each resorption event were measured in volumetric images of three bone slices. A convolutional neural network (U-Net-like) was then trained to identify resorption events on post-culture μCT images and then the network was applied to archival bone slices (n=21), for which the area of resorption in 2D, and the concentration of a resorption biomarker CTX-I were known. This unlocked the 3D information on resorption for bone slices where no pre-culture imaging was done. The modal volume, maximum depth, and aspect ratio of discrete resorption events were 2.7*103µm3, 12 µm and 0.18 respectively. The mean resorption volume per bone slice on achieved bone samples was 34155.34*103µm3. The CNN-labeled resorption volume correlated strongly with both CTX-I (p <0.001) and area measurements (p <0.001). This technique of deep learning-aided feature segmentation of µCT images of bone slices for quantifying equine osteoclast bone resorption volume allows for more accurate and extensive future investigations on osteoclast activity. For example, the antiresorptive effects of medications like corticosteroids and bisphosphonates can be investigated in the future.

Les ostéoclastes, les seules cellules capables de résorber l’os, sont soupçonnés d’être associés au développement et à la progression des radiotransparences sous-chondrales (SR). Ils n’ont par contre jamais été étudiés in situ. Les objectifs de cette étude cadavérique ex vivo étaient de mesurer et de comparer la densité ostéoclastique et le pourcentage de chondroclastes se trouvant à différentes profondeurs de l’os sous-chondral à partir de la surface articulaire dans le condyle fémoral médial (CFM) de chevaux Pur-sang juvéniles sains et atteints de SR hâtives spontanées. Les spécimens provenaient d’une banque de tissus et faisaient partie d’une étude précédente sur les caractéristiques structurelles des SR. La tomodensitométrie identifiait les CFM atteints de SR (n=6) et guidait les coupes ostéochondrales. Les contrôles de l’étude étaient composés d’un site histologiquement normal et caudal à la lésion (n=6) et du site controlatéral à la lésion dans le CFM sain (n=5). Après la décalcification et la fixation dans la paraffine, les spécimens étaient colorés à l’immunohistochimie afin de mettre en évidence les ostéoclastes présents dans l’os en périphérie des SR. Les spécimens étaient ensuite séparés en régions d’intérêt (ROI) à différentes profondeurs de l’os sous-chondral: ROI1 (0-1mm), ROI2 (1-3mm) et ROI3 (3-6mm). Les ostéoclastes ont été comptés dans chaque ROI pour calculer leur densité ostéoclastique respective. Les lames ont été contre-colorées avec la Safranine afin d’identifier le cartilage et mesurer le pourcentage de chondroclastes. La densité ostéoclastique était statistiquement plus élevée dans la ROI1 comparativement à la ROI3 dans tous les groupes. Cependant, aucune différence significative n’a été détectée en comparant les ROI entre les groupes, même si la densité ostéoclastique était supérieure dans la ROI1 des SR. Malgré une proportion de chondroclastes dans la ROI1 des SR inférieure à celle des contrôles, aucune différence significative n’a été détectée. La limite principale de cette étude se révéla être la taille de l’échantillon. Nos résultats démontrent cependant que la pathophysiologie des SR n’est pas uniquement expliquée par l’augmentation du nombre d’ostéoclastes dans l’os sous-chondral en périphérie des lésions. / There is a knowledge gap concerning how and when equine medial femoral condyle (MFC) subchondral radiolucencies (SR) arise and evolve. Osteoclasts, the only cells capable of bone resorption, are believed to have a role, but have not been studied in situ. The objectives of this ex vivo cadaveric study were to measure and compare the osteoclast density and the percentage of chondroclasts in juvenile (<1 year) Thoroughbred MFCs at varying depths from the weightbearing articular surface in both healthy and early spontaneous MFC SR specimens. The MFCs were available in a tissue bank and were part of a prior study of the structural characteristics of SRs. Computed tomography permitted identification of MFC SR (n=6) and guided osteochondral slab sections. Controls included a histologically normal site caudal to the lesions (n=6) and the healthy contralateral MFC lesion site (n=5). Following decalcification, paraffin embedding sections were cut and stained immunohistochemically with Cathepsin K to permit osteoclast identification and counting. The sections were divided into regions of interest (ROI) at different depths in the subchondral bone from the osteochondral junction: ROI1 (0-1mm), ROI2 (1-3mm) and ROI3 (3-6mm). Osteoclasts were counted in each ROI in order to calculate an osteoclast density. A Safranin-O counterstain was performed to identify the cartilage and measure the chondroclasts percentage. Osteoclast density was significantly higher in ROI1 when compared with ROI3 in all groups. When ROIs were compared between the three groups, no statistically significant differences were detected, even if a visible pattern difference and higher osteoclast density values were recorded in ROI1 in SRs. However, although the proportion of chondroclasts in ROI1 was lower in the SR sections when compared with controls, no significant difference was detected. The main limitation was the limited sample size. Osteoclasts are important actors in MFC subchondral bone development, digesting both growth cartilage (chondroclasts) and bone, but the pathophysiology of early MFC SRs cannot be explained solely by an increased osteoclast presence in the peripheral subchondral bone.

Chaque année, des chevaux de course décèdent de fractures complètes lors d’entrainement ou de course. A l’exercice, les charges supra-physiologiques cycliques entrainent des microfissures indiscernables par les techniques d’imagerie in vivo actuelles. Les ostéoclastes recrutés aux sites lésés induisent localement une lyse osseuse et une ostéopénie par résorption excessive, créant une concentration de contrainte à l’origine de fracture complète. Cependant, le rôle biologique des ostéoclastes dans les fractures de stress n’est à ce jour pas clairement identifié. Les objectifs de cette étude ont été d’établir des cultures in vitro d’ostéoclastes équins, corréler le nombre d’ostéoclastes avec l’isoforme 5b de l’enzyme phosphatase acide tartrate-résistante (TRACP 5b), corréler la résorption osseuse avec la TRACP-5b et le télopeptide C-terminal du collagène de type I (CTX-I) et étudier les effets de facteurs d’inflammation sur l’activité ostéoclastique. Après aspiration de moelle osseuse sternale, les cellules souches hématopoïétiques ont été isolées, conservées dans une banque cellulaire, décongelées, différenciées en ostéoclastes, avec ou sans os équin, et stimulées par des facteurs inflammatoires (IL-1β ou LPS). CTX-I et TRACP-5b ont été dosés par ELISA. Le nombre d’ostéoclastes colorés à la phosphatase acide tartrate-résistante et les aires de résorption osseuse colorées au bleu de toluidine ont été évalués. Dans les cultures d’ostéoclastes, la TRACP-5b augmentait (p < 0,0001) avec le temps et était corrélée (r = 0,63, p < 0.001) avec le nombre d’ostéoclastes. Dans les cultures d’ostéoclastes sur os, le CTX-I (p = 0,0018) et la TRACP-5b (p = 0,02) augmentaient avec le temps, étaient corrélés ensemble (r = 0,64, p < 0,002) et étaient tous deux corrélés avec la résorption osseuse (respectivement, r = 0,85, p < 0,001 et r = 0,82, p < 0,001). La stimulation inflammatoire n’a eu aucun effet significatif. Ostéoclastes équins et résorption osseuse ont été obtenus avec succès sur os équin à partir d’aspiration de moelle osseuse sternale. Pour la première fois, CTX-I et TRACP-5b ont été mesurés dans des cultures d’ostéoclastes équins. In vitro, CTX-I est un biomarqueur de résorption osseuse équine et TRACP-5b un biomarqueur du nombre d’ostéoclastes et de résorption osseuse équins. Des recherches ultérieures sont nécessaires afin d’évaluer si la TRACP 5b sérique permet la détection de toute résorption osseuse excessive chez les chevaux de course. / Every year racehorses die from complete catastrophic fractures in training and racing. Supra-physiological cyclic loads during exercise cause bone microcracks not discernible with current imaging in vivo. Osteoclasts recruited to the sites of the damage induce focal bone lysis and osteopenia by excessive resorption, creating a stress riser area susceptible to complete fracture. However, the biological impact of osteoclasts in stress fractures is not entirely understood. Our objectives were to establish in vitro cultures of equine osteoclasts, to correlate osteoclast numbers with the tartrate-resistant acid phosphatase 5b isoform (TRACP-5b), to correlate bone resorption with the TRACP-5b and the C-terminal telopeptide of type I collagen (CTX-I), as well as to investigate the effects of inflammatory factors on osteoclast activity. Following equine sternal bone marrow aspirations, hematopoietic stem cells were isolated, stored in a cell bank, thawed, differentiated into osteoclasts, with or without equine bone slices, and they finally underwent inflammatory stimulation (IL-1β or LPS). CTX-I and TRACP 5b were assayed by ELISAs. Osteoclasts stained with tartrate resistant acid phosphatase were counted and bone resorption areas stained with toluidine blue were measured. In the osteoclast cultures, the TRACP 5b increased (p < 0.0001) with time and correlated (r = 0.63, p < 0.001) with osteoclast number. In the osteoclast-bone cultures, both CTX-I (p = 0.0018) and TRACP-5b (p = 0.02) increased with time, correlated with each other (r = 0.64, p < 0.002) and both correlated with bone resorption (r = 0.85, p < 0.001 and r = 0.82, p < 0.001, respectively). The inflammatory stimuli had no significant effects. Equine osteoclasts and bone resorption were successfully induced on equine bone from sternal bone marrow aspiration. For the first time CTX-I and TRACP-5b were measured in equine osteoclast cultures. In vitro, CTX-I is a biomarker of equine bone resorption and TRACP-5b a biomarker of equine osteoclast number and bone resorption. Further investigations are required to measure the serum TRACP-5b capacity to detect excessive skeletal resorption in racehorses.