Unité physiopathologique dans le développement de l'ostéoporose et de l'athérosclérose vasculaire

Dans la structure de la mortalité des pays développés, les maladies de l'appareil circulatoire occupent une place prépondérante. Les maladies cardiovasculaires (hypertension artérielle, cardiopathie ischémique, infarctus du myocarde), qui sont liées à l'athérosclérose, sont à juste titre qualifiées d'épidémie du XXIe siècle.

Selon l'OMS, plus de 17 millions de personnes meurent chaque année de maladies cardiovasculaires dans le monde, et ce nombre devrait atteindre 20 millions d'ici 2015. Par ailleurs, l'une des principales causes d'insuffisance fonctionnelle et de perte de capacité de travail chez l'adulte est l'ostéoporose (OP), la maladie du système squelettique la plus connue et la plus fréquente au monde, dont la prévalence est liée à l'âge. L'ostéoporose est une maladie squelettique polygénique multifactorielle, la forme la plus fréquente d'ostéopathie métabolique. Elle se caractérise par une perte de masse osseuse, une perturbation de sa microarchitecture (destruction des travées osseuses), une diminution de la force et s'accompagne d'un risque élevé de fractures.

Ce sont les fractures, dont les plus graves sont celles du col du fémur et du radius au tiers inférieur de l'avant-bras, qui déterminent l'importance médicale et médico-sociale de la maladie, notamment la mortalité accrue et les pertes économiques importantes qui y sont associées. La particularité de l'ostéoporose est qu'elle touche principalement les personnes âgées. L'augmentation significative de l'incidence de l'ostéoporose, observée depuis la seconde moitié du XXe siècle, reflète naturellement les changements démographiques qui affectent la population et se manifestent par le vieillissement de la population dans tous les pays industrialisés. De nombreuses études épidémiologiques menées récemment dans le monde et en Europe indiquent une corrélation positive entre les maladies cardiovasculaires et les pathologies du système squelettique. Parallèlement, de nombreux auteurs associent l'ostéoporose à la progression de l'athérosclérose, notamment à la calcification des parois vasculaires. Chez les femmes présentant des fractures ostéoporotiques, une augmentation de l'incidence des calcifications des artères aortiques et coronaires a été observée, dont la gravité était corrélée à une diminution de la densité minérale osseuse (DMO).

Français Les études de SO Song et al. ont révélé une relation entre une diminution de la DMO de la colonne vertébrale et du fémur proximal et une augmentation de la teneur en calcium dans les artères coronaires selon la tomodensitométrie à faisceau d'électrons. M. Naves et al. ont constaté que chez les femmes atteintes d'ostéoporose postménopausique, une diminution de la DMO d'un écart type par rapport au pic de masse osseuse est associée à une augmentation du risque de mortalité globale de 43 % et de décès prématuré par pathologie cardiovasculaire. D'autres études ont également montré que les patients présentant une diminution de la DMO sont plus susceptibles de présenter une augmentation des concentrations de lipides sanguins, de développer une athérosclérose coronaire plus sévère et d'augmenter significativement le risque d'accident vasculaire cérébral et d'infarctus du myocarde. Les données présentées suggèrent qu'une augmentation de l'incidence de l'ostéoporose, des calcifications ectopiques et de l'athérosclérose chez les mêmes patients a une base pathogénique commune. Le concept selon lequel les maladies cardiovasculaires et l'ostéoporose sont liées par des marqueurs qui affectent simultanément les cellules vasculaires et osseuses a été soutenu par de nombreuses études expérimentales.

Un candidat pour le rôle d'un tel marqueur est la protéine ostéoprotégérine (OPG) récemment identifiée, qui appartient à la famille des récepteurs du facteur de nécrose tumorale et fait partie du système de cytokines RANKL-RANK-OPG.

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Remodelage osseux et rôle du système rankl-rank-opg

L'ostéoporose est une maladie caractérisée par des troubles du remodelage osseux, avec une augmentation de la résorption osseuse et une diminution de la synthèse osseuse. Ces deux processus de formation du tissu osseux sont étroitement liés et résultent de l'interaction cellulaire entre les ostéoblastes (OB) et les ostéoclastes (OC), issus de précurseurs de différentes lignées cellulaires: les ostéoblastes, issus de cellules souches mésenchymateuses, et les ostéoclastes, issus de cellules macrophages monocytaires de la moelle osseuse. Les ostéoblastes sont des cellules mononucléées impliquées dans la formation osseuse et la minéralisation des cellules de la matrice osseuse. Ils jouent un rôle fondamental dans la modulation du remodelage osseux et la régulation de l'activité métabolique des autres cellules du tissu osseux. Ils sécrètent un certain nombre de substances biologiquement actives, par lesquelles ils influencent la maturation du précurseur ostéoclastique, le transformant en une grande cellule multinucléée capable de participer à la résorption, c'est-à-dire à l'absorption du tissu osseux, en agissant uniquement sur l'os minéralisé, sans modifier la matrice osseuse elle-même.

La maturation et la différenciation des ostéoblastes s'effectuent sous l'influence de divers facteurs spécifiques influençant le processus de transcription, dont le plus important est la protéine Cbfal (core-binding factor oil; également connue sous le nom de runt related transcription factor 2; RUNX2). Chez les souris présentant un déficit en Cbfal/RUNX2, on observe un ralentissement significatif du processus de formation osseuse, et l'absence de maturation des cellules osseuses. En revanche, l'administration de Cbfal recombinante à des animaux provoque l'expression de gènes inhérents aux ostéoblastes dans des cellules non ostéogéniques. Le rôle important de Cbfal/RUNX2 dans la différenciation et la maturation des ostéoblastes se manifeste également par la capacité de la protéine à réguler la fonction de nombreux gènes impliqués dans la synthèse des protéines du tissu osseux: collagène de type 1, ostéopontine (OPN), ostéocalcine et sialoprotéine. La croissance et la capacité fonctionnelle du BO sont également influencées par des facteurs paracrines et/ou autocrines régulant l'activité des processus de transcription intranucléaire, la synthèse d'OPN et d'ostéocalcine. Ceux-ci incluent plusieurs facteurs de croissance cellulaire, des modulateurs de cytokines et des substances hormonales biologiquement actives. L'hypothèse selon laquelle l'activation et la régulation du remodelage osseux résultent de l'interaction entre ostéoblastes et ostéoclastes a été confirmée par de nombreuses études. Des progrès significatifs dans la compréhension des processus de remodelage osseux ont été réalisés avec la découverte du système de cytokines RANKL-RANK-OPG, qui joue un rôle clé dans la formation, la différenciation et l'activité des ostéoclastes. La découverte de ce système est devenue la pierre angulaire de la compréhension de la pathogenèse de l'ostéoporose, de l'ostéoclastogenèse et de la régulation de la résorption osseuse, ainsi que d'autres processus impliqués dans le remodelage osseux local. La régulation de l'ostéoclastogenèse est réalisée principalement par deux cytokines: l'activateur du récepteur du ligand du facteur nucléaire kappa-B (RANKL) et l'OPG dans le contexte de l'action permissive du facteur de stimulation des colonies de macrophages (M-CSF).

RANKL est une glycoprotéine produite par les cellules ostéoblastiques, les lymphocytes T activés. Elle appartient à la superfamille des ligands du facteur de nécrose tumorale (TNF) et constitue le principal stimulus de la maturation des ostéoclastes. La base moléculaire des interactions intercellulaires impliquant le système RANKL-RANK-OPG peut être représentée comme suit: RANKL exprimé à la surface des ostéoblastes se lie au récepteur RANK situé sur les membranes des cellules précurseurs de l'OC et induit le processus de différenciation et d'activation des ostéoclastes. Simultanément, la moelle osseuse et les cellules souches de l'OB libèrent du M-CSF. Ce facteur de croissance polypeptidique, en interagissant avec son récepteur transmembranaire de haute affinité (c-fms), active la tyrosine kinase intracellulaire, stimulant ainsi la prolifération et la différenciation des cellules précurseurs de l'ostéoclaste. L'activité proliférative du M-CSF augmente significativement lorsque l'OB est exposé à l'hormone parathyroïdienne, à la vitamine D3, à l'interleukine 1 (IL-1) et au TNF, et, inversement, diminue sous l'influence des œstrogènes et de l'OPG. Les œstrogènes, en interagissant avec les récepteurs intracellulaires de l'OB, augmentent l'activité proliférative et fonctionnelle de la cellule, diminuant simultanément la fonction des ostéoclastes et stimulant la production d'OPG par les ostéoblastes. L'OPG est un récepteur soluble de RANKL, synthétisé et libéré par les cellules ostéoblastiques, ainsi que par les cellules stromales, les cellules endothéliales vasculaires et les lymphocytes B. L'OPG agit comme un récepteur leurre endogène pour RANKL, bloquant son interaction avec son propre récepteur (RANK), inhibant ainsi la formation de cellules ostéoclastiques multinucléées matures, perturbant ainsi le processus d'ostéoclastogenèse et réduisant l'activité de résorption osseuse. Synthétisé et libéré par les cellules OB, RANKL est un facteur spécifique nécessaire au développement et au fonctionnement de l'OC. RANKL interagit avec son récepteur tropique RANK sur la membrane de la cellule précurseur de l'OC (un précurseur commun des ostéoclastes et des monocytes/macrophages), entraînant des transformations génomiques en cascade intracellulaires. RANK affecte le facteur nucléaire kappa-B (NF-kB) par l'intermédiaire de la protéine associée au récepteur TRAF6, qui active et transloque NF-kB du cytoplasme vers le noyau cellulaire.

L'accumulation de NF-kB activé augmente l'expression de la protéine NFATcl, un déclencheur spécifique de la transcription des gènes intracellulaires responsables de l'ostéoclastogenèse. L'ostéoclaste différencié prend position à la surface osseuse et développe un cytosquelette spécialisé lui permettant de créer une cavité de résorption isolée, un microenvironnement entre les ostéoclastes et l'os. La membrane de l'OC faisant face à la cavité formée par la cellule forme de nombreux plis et prend un aspect ondulé, augmentant significativement la surface de résorption. Le microenvironnement de la cavité de résorption ainsi créée est acidifié par pompage électrogénique de protons. Le pH intracellulaire de l'OC est maintenu grâce à l'anhydrase carbonique II par l'échange d'ions HCO3/Cl à travers la membrane antirésorptive de la cellule. Le chlore ionisé pénètre dans la microcavité de résorption par les canaux anioniques de la membrane de résorption ondulée, ce qui permet d'atteindre un pH de 4,2 à 4,5 dans la cavité. L'environnement acide crée les conditions nécessaires à la mobilisation de la phase minérale osseuse et crée des conditions optimales pour la dégradation de la matrice organique du tissu osseux avec la participation de la cathepsine K, une enzyme synthétisée et libérée dans la cavité de résorption par les « vésicules acides » de l'OK. L'augmentation de l'expression de RANKL entraîne directement l'activation de la résorption osseuse et une diminution de la densité minérale osseuse (DMO) squelettique. L'introduction de RANKL recombinant a entraîné le développement d'une hypercalcémie dès la fin du premier jour, et dès la fin du troisième, une perte significative de masse osseuse et une diminution de la DMO. L'équilibre entre RANKL et OPG détermine la quantité d'os résorbé et le degré de modification de la DMO. Des expériences animales ont montré qu'une expression accrue d'OPG chez la souris entraîne une augmentation de la masse osseuse, une ostéopétrose, et se caractérise par une diminution du nombre et de l'activité des ostéoclastes. En revanche, lorsque le gène OPG est désactivé, on observe une diminution de la DMO, une augmentation significative du nombre d'ostéoclastes matures multinucléés, une diminution de la densité osseuse et l'apparition de fractures vertébrales spontanées.

L'administration sous-cutanée d'OPG recombinante à des souris à la dose de 4 mg/kg/jour pendant une semaine a restauré les indices de densité minérale osseuse (DMO). Dans le modèle d'arthrite adjuvante chez le rat, l'administration d'OPG (2,5 et 10 mg/kg/jour) pendant 9 jours au stade initial du processus pathologique a bloqué la fonction de RANKL et prévenu la perte de masse osseuse et cartilagineuse. Les expériences indiquent que la fonction de l'OPG consiste principalement à diminuer ou à « désactiver » significativement les effets de RANKL. Il est désormais évident que le maintien de la relation entre RANKL et OPG est une condition importante pour maintenir l'équilibre entre résorption et formation osseuses. La conjugaison de ces deux processus, ainsi que les concentrations relatives de RANKL et d'OPG dans le tissu osseux, déterminent les principaux déterminants de la masse et de la résistance osseuses. Depuis la découverte du système RANKL-RAMK-OPG comme voie finale de formation et de différenciation des ostéoclastes, de nombreux chercheurs ont confirmé le rôle majeur de ce mécanisme cellulaire et moléculaire dans la pathogenèse de l'ostéoporose.

Le rôle du système de cytokines rankl-rank-opg dans le processus de calcification vasculaire

L'hypothèse d'une base pathogénique commune à l'ostéoporose et à l'athérosclérose, ainsi qu'une certaine similitude entre les mécanismes de développement de l'ostéoporose et de la calcification vasculaire, est confirmée par de nombreuses observations expérimentales et cliniques. Il a été démontré que les tissus osseux et vasculaires présentent de nombreuses propriétés identiques, tant au niveau cellulaire que moléculaire. Le tissu osseux et la moelle osseuse contiennent des cellules endothéliales, des préostéoblastes et des ostéoclastes, dérivés des monocytes, qui sont également des composants normaux des populations cellulaires de la paroi vasculaire. Dans les conditions du processus athéroscléreux, le tissu osseux et la paroi des vaisseaux artériels contiennent de l'OPN, de l'ostéocalcine, une protéine osseuse morphogénétique, une protéine Gla matricielle, du collagène de type I et des vésicules matricielles. Dans la pathogenèse de l'athérosclérose et de l'OP, les monocytes participent à la différenciation en macrophages à cytoplasme spumeux au sein de la paroi vasculaire et en ostéoclastes dans le tissu osseux. Dans la paroi vasculaire, il existe des éléments cellulaires qui se différencient en ostéoblastes conformément aux étapes de formation de l'OB osseux, produisant le composant minéral de l'os.

Il est fondamental que le système de cytokines RANKL-RANK-OPG, initiateur de l'ostéoblastogenèse et de l'ostéoclastogenèse dans le tissu osseux, induise, entre autres, la différenciation des ostéoblastes et des OC, ainsi que le processus de minéralisation de la paroi vasculaire. Parmi les composants de ce système, témoignant directement de l'existence d'un lien entre ostéoporose et athérosclérose, l'OPG suscite la plus grande attention des chercheurs. On sait que l'OPG est exprimée non seulement par les cellules du tissu osseux, mais aussi par les cellules cardiovasculaires: myocardiocytes, cellules musculaires lisses des artères et des veines, et cellules endothéliales vasculaires. L'OPG est un modulateur de la calcification vasculaire, ce qui a été confirmé par les travaux expérimentaux de S. Moropu et al., réalisés sur des souris intactes et des animaux présentant une altération/absence du gène responsable de l'expression de l'OPG. Il a été constaté que les souris présentant une altération de la synthèse de l'OPG (OPG-/-), contrairement au groupe témoin, présentent une activation du processus de calcification artérielle associée au développement de l'ostéoporose et de fractures osseuses multiples. À l'inverse, l'introduction du gène synthétisant l'OPG chez des animaux présentant une expression insuffisante a contribué à la suppression du processus de résorption osseuse et de calcification vasculaire.

L'inflammation joue un rôle clé à tous les stades du développement de l'athérosclérose, s'accompagnant d'une augmentation significative de la concentration plasmatique de marqueurs de l'inflammation: les cytokines (interleukine-1, a-TNF), qui, à leur tour, induisent la résorption osseuse. Compte tenu de la nature inflammatoire du développement de l'athérosclérose, l'expression et la libération d'OPG dans la circulation sanguine et les tissus environnants par les cellules endothéliales et les cellules musculaires lisses vasculaires s'effectuent sous l'influence des facteurs pro-inflammatoires mentionnés ci-dessus. Contrairement aux cellules stromales, les cellules endothéliales et le tissu musculaire lisse vasculaire ne réagissent pas aux variations de la teneur plasmatique en vitamine D3 ou en parathormone (PTH) en augmentant la synthèse et la libération d'OPG. L'OPG prévient la calcification ectopique des vaisseaux induite par la vitamine D3, augmentant simultanément la teneur en OPN, principale protéine matricielle non collagénique des os, qui agit comme un inhibiteur de la minéralisation vasculaire et comme un déclencheur de la synthèse et de la libération d'OPG par les cellules endothéliales et les cellules musculaires lisses. L'OPN, qui inhibe la formation de la matrice d'hydroxyapatite (in vitro) et la calcification vasculaire (in vivo), est synthétisée et libérée à des concentrations suffisamment élevées par les cellules musculaires lisses de la média de la paroi vasculaire et par les macrophages de l'intima. Sa synthèse se produit dans les zones de minéralisation prédominante de la paroi vasculaire et est régulée par des facteurs pro-inflammatoires et ostéogéniques. Associée à l'intégrine avb3, synthétisée par les cellules endothéliales aux sites d'athérogenèse, l'OPN induit l'effet NF-kB-dépendant de l'OPG sur le maintien de l'intégrité des cellules endothéliales. Ainsi, l'augmentation des concentrations plasmatiques et vasculaires d'OPG observée dans les maladies cardiovasculaires pourrait être une conséquence de l'activité des cellules endothéliales, à la fois sous l'influence de marqueurs inflammatoires et du mécanisme OPN/avb3-HHTerpnHOBoro.

L'activation de NF-kB dans les macrophages de la paroi artérielle et dans le TC est également l'un des mécanismes importants reliant l'ostéoporose à l'athérosclérose. L'augmentation de l'activité de NF-kB résulte de l'action des cytokines libérées par les lymphocytes T activés dans l'intima vasculaire, ce qui contribue à une augmentation de l'activité de la sérine/thréonine kinase (Akt, protéine kinase B), un facteur important pour le fonctionnement, en premier lieu, des cellules endothéliales vasculaires.

Il a été établi qu'une augmentation de l'activité de la protéine kinase B entraîne une stimulation de l'eNOS et une augmentation de la synthèse de monoxyde d'azote (NO), impliqué dans le mécanisme de maintien de l'intégrité des cellules endothéliales. Comme pour l'OPG, la synthèse et la libération de RANKL par les cellules endothéliales s'effectuent sous l'influence de cytokines inflammatoires, et non sous l'action de la vitamine D3 ou de la PTH, qui sont capables d'augmenter la concentration de RANKL dans les cellules endothéliales ou stromales.

L'augmentation de la concentration de RANKL dans les vaisseaux artériels et veineux résulte également de l'effet inhibiteur du facteur de croissance transformant (TGF-Pj) sur l'expression de l'OPG, dont la concentration diminue significativement sous l'influence de ce facteur. Il exerce un effet multidirectionnel sur la concentration de RANKL dans l'os et les vaisseaux: dans le tissu osseux, le TGF-Pj favorise l'expression de l'OPG OB et, par conséquent, l'OPG, en se liant à RANKL, réduit sa concentration et son activité d'ostéoclastogenèse. Dans les parois des vaisseaux sanguins, le TGF-Pj augmente le rapport RANKL/OPG et, par conséquent, la concentration de RANKL, en interagissant avec son récepteur RANK à la surface des membranes des cellules endothéliales avec la participation des systèmes de signalisation intracellulaire, stimule l'ostéogenèse des cellules vasculaires, active les processus de calcification, de prolifération et de migration cellulaire, ainsi que le remodelage de la matrice. Le résultat de ce nouveau concept, basé sur la compréhension actuelle des mécanismes cellulaires et moléculaires du remodelage osseux dans l'ostéoporose et l'athérosclérose, et sur la mise en évidence du rôle majeur du système de cytokines RANKL-RANK-OPG dans le développement de ces maladies, a conduit à la synthèse d'un médicament de nouvelle génération: le dénosumab. Le dénosumab (Prolia; Amgen Incorporation) est un anticorps monoclonal humain spécifique présentant un fort tropisme pour RANKL, bloquant la fonction de cette protéine. De nombreuses études cliniques et en laboratoire ont démontré que le dénosumab, démontrant une forte capacité à réduire l'activité de RANKL, ralentit et affaiblit significativement le degré de résorption osseuse. Actuellement, le dénosumab est utilisé en première intention, en association avec les bisphosphonates, chez les patients atteints d'ostéoporose systémique pour prévenir les fractures osseuses. Parallèlement, S. Helas et al. ont établi l'effet inhibiteur du dénosumab sur la capacité de RANKL à déclencher le processus de calcification vasculaire. Ainsi, les données obtenues ouvrent de nouvelles possibilités pour ralentir la progression de l’ostéoporose et de l’athérosclérose vasculaire, prévenir le développement de complications cardiovasculaires dans l’ostéoporose et préserver la santé et la vie des patients.

S. Sagalovsky, Richter. Unité physiopathologique du développement de l'ostéoporose et de l'athérosclérose vasculaire // Revue médicale internationale - N° 4 - 2012