Résorption osseuse : Action des ostéoclastes et enzymes protéolytiques
La résorption osseuse implique à la fois la dissolution du minéral osseux et la dégradation de la matrice osseuse organique. Les ostéoclastes sont hautement spécialisés pour remplir ces deux fonctions130. Lors de l’activation des ostéoclastes multinucléés matures, les cellules se fixent fermement à la surface de l’os, à l’aide de podosomes spécialisés riches en actine (anneau d’actine), par réorganisation du cytosquelette et polarisation cellulaire149-151. À l’intérieur de ces zones d’adhésion à la matrice minéralisée, les ostéoclastes forment des membranes alvéolées, semblables à des villosités, appelées « bords ébouriffés », qui augmentent considérablement la surface de la membrane cellulaire faisant face à la lacune de résorption (lacune de Howship). Par l’intermédiaire de ces membranes ébouriffées, les ostéoclastes sécrètent une quantité abondante d’acide chlorhydrique (grâce à la pompe à protons H+-ATPase vacuolaire), ce qui entraîne l’acidification du compartiment situé entre la cellule et la surface de l’os, ainsi qu’une myriade d’enzymes telles que les cathepsines lysosomales, la phosphatase TRAP (tartrate-resistant acid phosphatase) et les MMP protéolytiques (matrix metalloproteinases) (voir plus loin). L’acidité du milieu entraîne la dissolution de la phase minérale (hydroxyapatite cristalline), l’activation des enzymes lytiques et la digestion des composés organiques de la matrice (voir figure 60-5). Le mécanisme d’étanchéité permet une dissolution et une dégradation localisées de la matrice osseuse minéralisée, tout en protégeant simultanément les cellules voisines de tout dommage.152,153 Au cours du processus de résorption, la dissolution de l’hydroxyapatite libère de grandes quantités de calcium, de phosphate et de bicarbonate solubles. L’élimination de ces ions est nécessaire (par exemple, pour maintenir le pH acide dans la lacune de résorption) et implique des voies vésiculaires et un transport ionique direct via différents échangeurs d’ions, canaux et pompes. Les produits de dégradation de la matrice organique après digestion enzymatique sont transcytosés à travers la cellule pour être sécrétés au niveau de la membrane basolatérale.152,153
Ces processus complexes de recrutement des ostéoclastes, de polarisation à la surface de l’os et d’exportation de l’acide et des enzymes sont orchestrés par de nombreux facteurs, dont le RANKL,154-156 ainsi que par une signalisation médiée par les intégrines à partir de la matrice osseuse elle-même157,158. Cette dernière, qui est particulièrement représentée par l’intégrine αvβ3 dans les ostéoclastes, a été suggérée comme importante pour le fonctionnement des ostéoclastes sur la base de la constatation que l’inhibition de la signalisation par cette intégrine αvβ3 inhibait la résorption osseuse médiée par les ostéoclastes in vitro et dans des modèles animaux d’ostéoporose et d’ostéolyse maligne.158 Les intégrines sont des récepteurs de surface cellulaire hétérodimériques, composés d’une sous-unité α et d’une sous-unité β, qui médient les interactions cellule-matrice et donc l’adhésion. L’intégrine αvβ3, parmi les diverses intégrines les plus exprimées dans les ostéoclastes, reconnaît les protéines matricielles contenant du RGD (Arg-Gly-Asp), comme la vitronectine, l’ostéopontine et la sialoprotéine osseuse. Plusieurs composants de la voie de signalisation de l’αvβ3 intégrine se localisent dans la zone de scellement des ostéoclastes en résorption active et jouent un rôle en reliant l’adhésion matricielle des ostéoclastes à l’organisation du cytosquelette, à la polarisation cellulaire et à l’activation pour la résorption osseuse. Lors de son activation, l’intégrine αvβ3 stimule un complexe de signalisation intracellulaire impliquant les tyrosines kinases c-Src et Syk. L’importance de αvβ3, c-Src et Syk dans l’activité des ostéoclastes est soulignée par le développement d’une ostéopétrose chez les souris déficientes pour chacun de ces gènes, en raison d’un manque de résorption osseuse. Ces résultats font de chacune de ces molécules des cibles thérapeutiques potentielles pour bloquer la résorption osseuse ostéoclastique. Des preuves précliniques ont indiqué que les médicaments ciblant l’intégrine αvβ3 (peptides et petites molécules non peptidiques) étaient capables de bloquer l’ostéolyse et la croissance tumorale dans des modèles animaux de métastases osseuses, probablement en inhibant la résorption osseuse médiée par les ostéoclastes et en ciblant directement les cellules cancéreuses159. Des essais cliniques avec des antagonistes de l’intégrine et l’inhibition de la kinase c-Src pour le traitement de l’ostéoporose sont en cours.115,147,157,159
Plusieurs molécules importantes pour la fonction ostéoclastique in vitro, comme la β3 intégrine, la c-Src, la cathepsine K, l’anhydrase carbonique II, la TRAP et plusieurs protéines de canaux ioniques, provoquent un phénotype ostéopétrotique lorsqu’elles sont supprimées chez la souris ou modifiées chez l’homme. L’absence de ces gènes n’affecte pas la différenciation en ostéoclastes morphologiquement normaux ; cependant, les ostéoclastes ne sont pas fonctionnels et ne parviennent pas à résorber efficacement l’os81,147. Par exemple, la cathepsine K, enzyme clé de la digestion de la matrice osseuse par son activité de dégradation du collagène de type I, est fortement exprimée par les ostéoclastes activés et sécrétée dans la lacune de résorption.152,153 Sa délétion chez la souris a conduit à l’ostéopétrose,160,161 et les mutations du gène humain de la cathepsine K provoquent la pycnodysostose.162 Des inhibiteurs de la cathepsine K hautement sélectifs et puissants (tels que l’Odanacatib et l’ONO-5334) ont été développés et sont actuellement testés dans le cadre de vastes essais cliniques de phase III, compte tenu des résultats antérieurs prometteurs indiquant leur utilité en tant qu’agents antirésorptifs pour traiter l’ostéoporose ainsi que leur utilisation thérapeutique potentielle pour réduire l’ostéolyse induite par le cancer du sein et le fardeau tumoral squelettique115,147,159,163-165.
A part la cathepsine K, plusieurs groupes d’enzymes protéolytiques sont impliqués dans la dégradation des composants organiques (collagènes et protéoglycanes) des matrices osseuses et cartilagineuses après la dissolution du minéral166-168. L’un d’entre eux est la famille des MMP, qui compte plus de 25 membres, dont les collagénases sécrétées, les stromelysines, les gélatinases et les MMP de type membranaire (MT).167-169 Les MMP sont synthétisées sous forme de proenzymes latentes qui, après activation protéolytique, peuvent dégrader de nombreux composants de la matrice extracellulaire. En tant que telles, elles sont impliquées dans le développement, la croissance et la réparation des tissus, mais aussi dans les conditions pathologiques associées à une dégradation excessive de la matrice, comme la polyarthrite rhumatoïde, l’arthrose et les métastases tumorales.166,169,170 Plusieurs MMP, dont MMP9 et MMP14 (également connues sous le nom de MT1-MMP), sont fortement exprimées dans les ostéoclastes/chondroclastes, mais elles sont également produites par de nombreux autres types de cellules. Ces deux molécules jouent un rôle dans le processus de résorption du cartilage associé à l’invasion par les ostéoclastes au cours de l’ossification endochondrale.109,111,171-173 Les MMP et les enzymes protéolytiques contenant un domaine désintégrine et métalloprotéase (ADAM) peuvent également affecter l’ostéoclastogenèse en soi, en modulant la biodisponibilité et la présentation de RANKL par le clivage protéolytique de sa forme transmembranaire en RANKL soluble174,175.
Enfin, après une période limitée d’activité résorptive, on pense que l’ostéoclaste meurt par apoptose (voir plus loin),176 et que la zone résorbée de cartilage ou d’os est, dans des conditions de développement, de croissance et de santé osseuse, efficacement remplacée par de l’os nouvellement formé grâce à l’action des ostéoblastes.
L’ostéoclaste est un élément essentiel de la résorption osseuse.