Literatura académica sobre el tema "Différenciation ostéogénique"

L'ostéoporose est une maladie caractérisée par une baisse de la masse osseuse associée à une augmentation de l'adiposité médullaire. Les ostéoblastes et les adipocytes proviennent de la cellule souche mésenchymateuse présente dans la moelle osseuse, et l'élucidation des événements cellulaires conduisant l'engagement de ce précurseur commun dans chacune de ces voies de différenciation fait l'objet d'intenses recherches. Afin de déterminer l'effet de facteurs ostéogéniques sur l'adipogénèse, nous avons appliqué BMP2 (Bone Morphogenetic Protein-2), puissant inducteur d'ossification ectopique, sur la lignée mésenchymateuse 3T3-L1. Sans effet adipogénique par elle-même, la BMP2 stimule de façon synergique l'adipogénèse induite par BRL49653, un agoniste de PPARgamma. De même, BRL49653 n'inhibe pas la différenciation ostéogénique induite par un traitement ostéogénique. Nos résultats suggèrent qu'adipocytes et ostéoblastes ne se développent pas de façon antagoniste, mais plutôt selon un processus de différenciation commun positivement influencé à la fois par BMP2 et les activateurs de PPARgamma. Nous avons également identifié l'os trabéculaire humain comme une source de précurseurs mésenchymateux. Par un protocole d'expansion clonale suivie de tests de différenciation ostéogénique, adipogénique et chondrogénique, nous avons montré que les cultures de précurseurs isolés de fragments d'os trabéculaire ont des caractéristiques de cellule souche mésenchymateuse in vitro
Osteoporosis is characterized by decreased bone mass associated with increased marrow fat content. Osteoblasts and adipocytes arise from a common precursor cell present in the bone marrow stromal, the mesenchymal stem cell (MSC). The regulatory events governing the commitment of this precursor cell to either lineage are intensely investigated. To determine the effect of osteogenic factors on adipogenesis, we have treated the mesenchymal precursor cell line 3T3-L1 with BMP2 (Bone Morphogenetic Protein-2), a potent inducer of bone formation. Although BMP2 did not affect adipogenesis on its own, is strongly stimulated adipogenic differentiation in synergy with the PPARgamma agonist BRL49653. Likewise, when BRL49653 was combined with a classical osteogenic treatment, no inhibition of the osteogenic response could be detected. Our data suggest that osteoblasts and adipocytes do not systematically develop at the expense of each that osteoblasts and adipocytes do not systematically develop at the expense of each other, but follow a common differentiation pathway that can be positively modulated by both BMPs and PPARgamma activators. We also identified human trabecular bone as a new source of mesenchymal precursor cells. Based on clonal expansion experiments followed by osteogenic, chondrogenic and adipogenic differentiation assays, we could conclude that cultures prepared from trabecular bone fragments have mesenchymal stem cell characteristics in vitro

Les cellules souches mésenchymateuses (CSMs) sont résistantes à l'apoptose après traitement avec différents inducteurs apoptotiques alors qu'elles expriment l'ensemble des protéines impliquées dans ce mécanisme (Oliver et coll. , soumis). Cependant, ces cellules acquièrent une sensibilit' à l’apoptose après induction de leur différenciation. Nous étudions les mécanismes de différenciation des CSMs afin de comprendre comment ces cellules acquièrent une sensibilité à l'apoptose au cours de leur différenciation. Ceci nous permettra ensuite d'étudier le défaut responsable de l'échappement des cellules souches cancéreuses à l'apoptose. L'étude protéique des CSMs non différenciées a montré la présence de la procaspase-3 (32 kDa) mais également une forme clivée de 29 kDa. De plus, un fragment de 25 kDa est également formé au cours de la différenciation ostéogénique. Ces formes de 29 et 25 kDa ont été précédemment décrites par notre équipe comme résultant d’un clivage de la procaspase-3 par la Calpaïne (Pelletier et coll. , 2005). En effet, l'inhibition de cette enzyme empêche le clivage de la Caspase-3 et retarde la différenciation. La Caspase3 semble donc jouer un rôle important dans la différenciation des CSMs. Cependant, l'extinction de la Caspase-3 (knock-down) retarde la différenciation mais sans pour autant l'inhiber totalement. Un mécanisme de compensation semble se mettre en place au cours de la différenciation en absence de la Caspase-3
The hMSCs are resistant to apoptosis after exposure to different apoptotic inducers, however, these cells do not lack any proteins implicated in apoptosis (Oliver et al. , submitted). Conversely, after an induction of differentiation, these cells acquire a sensitivity to apoptosis. Hence, by analysing the differentiation process of hMSCs, we could gain an insight into the acquisition of a sensibility to apoptosis in these cells. We hope to use this insight into the induction of apoptosis in cancer stem cells that appear to have the same resistance to apoptosis observed in normal stem cells. An analysis of the executioner caspase-3 in undifferentiated MSCs has revealed the presence of the proform (32 kDa) and a 29 kDa cleaved form of caspase-3 and during osteogenesis caspase-3 is cleaved into a 25 kDa form. These cleaved forms of caspase-3, 29 and 25 kDa were previously shown by our group to be the result of a cleavage by calpain (Pelletier et al, 2005). Our data show that caspase-3 is important in the initial stages of osteogenic differentiation but not essential for osteogenic differentiation as a knock-down of caspase-3 delays but does not completely abrogate osteogenic differentiation. An activation of alternative pathways implicating an up-regulation of downstream or upstream partners may be involved

Résumé: Le muscle squelettique possède une excellente capacité à se regénérer notamment grâce à ses cellules progénitrices stromales (mrSC) et myogéniques (CPM). À la suite de certains traumas et pour des raisons encore méconnues, la qualité de sa régénération est compromise ce qui mène à l’apparition de structures aberrantes tel l’os mature, aussi appelée ossification hétérotopique (OH) post-traumatique. Notre laboratoire a montré dans un modèle murin que les mrSC sont pleinement impliquées dans cette pathologie. De plus, un facteur fortement ostéoinducteur, BMP9, ne cause l’OH que si, et seulement si, le muscle est endommagé. Ce modèle d’étude est unique puisqu’il présente les particularités physiopathologiques de l’OH post-traumatique, un dommage du muscle étant essentiel à la formation d’os. De plus, ce modèle a permis de mettre en évidence le rôle prédominant du microenvironnement des cellules progénitrices dans le développement de cette pathologie. Nous avons donc émis l’HYPOTHÈSE selon laquelle le microenvironnement du muscle endommagé contient des facteurs qui peuvent influencer le phénotype de ses cellules progénitrices stromales et myogéniques favorisant ainsi le développement de l’OH. Nos résultats montrent que l’état hypoxique d’un muscle sévèrement endommagé augmente la prolifération et la différenciation ostéogénique des mrSC. De plus, l’hypoxie induit spécifiquement l’expression de BMP9 par les mrSC. L’impact de BMP9 a également été évalué sur la différenciation des CPM. Les résultats montrent qu’à des concentrations physiologiques, BMP9 inhibe le potentiel myogénique des CPM en faveur d’une différenciation ostéogénique, et cela tant dans la lignée myoblastique murine C2C12 que chez les CPM primaires humaines. En résumé, le muscle endommagé développant l’OH possède un microenvironement spécifique responsable du débalancement de la capacité régénérative de ses progéniteurs. Nos travaux montrent que ce microenvironnement cause un retard de la myogenèse et une ostéogenèse où participeront non seulement les mrSC mais également les CPM. L’identification et la compréhension des mécanismes régulant ces facteurs s’avèrent clé pour offrir aux cliniciens des outils de diagnostic mais également des alternatives ou des approches complémentaires aux traitements prophylaxiques actuels.
Abstract: Skeletal muscle has an extraordinary ability to regenerate due to its resident stromal cells (mrSCs) and myogenic progenitor cells (MPCs). Following certain traumas, the quality of the regeneration of skeletal muscle can be compromised for unknown reasons, leading to the appearance of aberrant structures such as mature bone, a process called posttraumatic heterotopic ossification (HO). Our laboratory developed a mouse model to show that mrSCs are fully involved in this pathology. We also showed that BMP9, a highly osteoinductive factor, causes HO if and only if the muscle is damaged. This model is unique in that it recapitulates the pathophysiological features of post-traumatic HO in which muscle damage is essential for bone formation. The model was also used to show that the progenitor cell microenvironment plays a predominant role in the development of this pathology. Based on these results, we HYPOTHESIZED that the microenvironment of the damaged muscle contains factors that can influence the phenotype of its progenitor cell populations, thus promoting the development of HO. Our results showed that the hypoxic state of a severely damaged muscle increases the proliferation and osteogenic differentiation of mrSCs and also specifically induces the expression of BMP9 by mrSCs. The impact of BMP9 on the differentiation of MPCs was also evaluated. At physiological concentrations, BMP9 inhibited the myogenic differentiation potential of murine myoblast C2C12 cells and primary human MPCs, and triggered their differentiation into an osteogenic lineage. In summary, we showed that damaged muscle that develops HO has a specific microenvironment that is responsible for the loss of the regenerative capacity of progenitor cells, leading to a delay in myogenesis, and that mrSCs and MPCs are both involved in osteogenesis. The identification and understanding of the mechanisms regulating these key factors could provide clinicians with valuable diagnostic tools as well as alternative and/or complementary approaches to current prophylactic treatments.

Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont des cellules souches adultes, largement utilisées en ingénierie tissulaire en raison de leur capacité à se différencier en plusieurs lignées cellulaires, ce qui les rend adaptées à de nombreuses applications. Cependant, il est difficile de contrôler précisément ce processus de différenciation pour obtenir un seul type de cellule, comme les cellules osseuses. Une des principales stratégies pour améliorer la régénération osseuse consiste à imiter le microenvironnement d’origine des cellules, appelé niche des cellules souches. À cette fin, il est crucial de développer des échafaudages biomatériaux avancés dont les propriétés peuvent être ajustées pour reproduire, en surface d’une plaque de culture cellulaire, l’environnement cellulaire in vivo. Dans ce contexte, les hydrogels ont suscité un grand intérêt car ils peuvent imiter de nombreux aspects des matrices extracellulaires (MEC) natives. Il est aujourd’hui bien établi que la différenciation in vitro des cellules souches est influencée par la rigidité et la viscoélasticité du substrat dans lequel ou sur lequel elles sont cultivées. Cependant, il est nécessaire de mieux comprendre l’effet de l’élasticité et de la viscoélasticité de la matrice sur la différenciation ostéogénique, ainsi que l’interaction entre ces caractéristiques mécaniques et la présence de molécules bioactives telles que les peptides d’adhésion ou de différenciation. Dans ce contexte, notre objectif de recherche est de développer un matériau qui englobe les propriétés optimales pour obtenir une différenciation ostéogénique des CSM. Cette thèse s’inscrit dans le développement d’hydrogels de poly(éthylène glycol) diacrylate (PEGDA) avec des propriétés mécaniques ajustables, en termes d’élasticité et de viscoélasticité, et une biofonctionnalisation ciblée. Des hydrogels avec une large gamme de modules de Young en compression, de 2 à 128 kPa, ont été synthétisés, ce qui permet de reproduire avec succès la rigidité de la plupart des tissus mous humains. La viscoélasticité de ces matériaux a également été ajustée, avec des valeurs de tangente de perte allant de 0,15 à 0,35. Le choix de la technique pour caractériser l’élasticité et la viscoélasticité des hydrogels n’est pas trivial. Il n’existe pas de norme pour l’évaluation mécanique des hydrogels pour les applications biomédicales et la comparaison des résultats obtenus avec différentes techniques devient difficile. Pour résoudre ce problème, nous avons effectué une caractérisation mécanique complète de nos hydrogels à l’aide de plusieurs techniques (compression, rhéologie et AFM). Nos résultats révèlent que même si toutes les méthodes produisent des tendances cohérentes, chacune d’entre elles fournit des informations uniques et complémentaires sur les propriétés mécaniques du matériau. Les matériaux ont été fonctionnalisés en greffant de manière covalente des peptides RGD et BMP-2, pour l’adhésion et la différenciation respectivement. La biofonctionnalisation des matériaux a été vérifiée par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et microscopie à fluorescence. Les CSM ont été cultivées sur différents hydrogels et leur différenciation ostéogénique a été évaluée par immunocytochimie de marqueurs protéiques clés et qPCR. Nos résultats ont révélé que les cellules cultivées sur des hydrogels rigides et viscoélastiques présentaient une surexpression des marqueurs d’ostéoblastes et d’ostéocytes. Cela suggère que la combinaison de la procédure de fonctionnalisation avec les propriétés mécaniques de l’hydrogel constitue une approche efficace pour promouvoir la différenciation ostéogénique des CSMh
Mesenchymal Stem Cells (MSCs) are adult multipotent stem cells, widely used in tissue engineering thanks to their ability to differentiate into various cell lineages, making them suitable in many applications. However, tightly controlling their differentiation to yield a single cell type, such as bone cells, remains challenging. Achieving improved bone regeneration will likely involve mimicking the MSC’s native microenvironment, known as the stem cell niche To achieve this, it is essential to develop advanced biomaterial scaffolds with properties that can be tuned to replicate the in vivo cellular environment on a cell culture plate. In this context, hydrogels have gained significant interest since they can mimic many aspects of native extracellular matrices (ECM). It is known that the in vitro differentiation of stem cells is affected by the stiffness and viscoelasticity of the substrate on and in which they are cultured. However further investigation is needed to understand the specific effects of matrix elasticity and viscoelasticity on osteogenic differentiation, as well as the interplay between these mechanical properties and the presence of bioactive molecules such as adhesion or differentiation peptides. In this context, our research challenge is to develop a material that encompasses the optimal properties to obtain osteogenic differentiation of MSCs. This thesis presents the development of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) hydrogels with tunable mechanical properties, in terms of elasticity and viscoelasticity, and targeted biofunctionalization. Hydrogels with a broad range of compressive Young’s moduli, from 2 to 128 kPa, were synthesized, successfully spanning the stiffness of most human soft tissues. The viscoelasticity of these materials was also tuned, from loss tangent values of 0.15 up to 0.35. The choice of technique to characterize the elasticity and viscoelasticity of the hydrogels is not trivial. There is no standard for the mechanical evaluation of hydrogels for biomedical applications and comparing results obtained with different techniques becomes challenging. To address this issue, we performed a comprehensive mechanical characterization of our hydrogels with multiple techniques (compression, rheology and AFM). Our findings reveal that while all methods produce consistent trends, each provides unique and complementary insights into the material’s mechanical properties. The materials are functionalized by covalently grafting RGD and BMP-2 peptides, for adhesion and differentiation respectively. The biofunctionalization of the materials was verified via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and fluorescence microscopy. hMSCs were cultured on different hydrogels and their osteogenic differentiation was evaluated via immunocytochemistry of key protein markers and qPCR. Our findings revealed that cells on stiff and viscoelastic hydrogels exhibited an overexpression of osteoblast and osteocyte markers. This suggests that the combination of the functionalization procedure with the mechanical properties of the hydrogel provides a potent approach to promoting the osteogenic differentiation of hMSCs