MRM Insights : Un modèle murin pour étudier l’ossification hétérotopique neurogène dans les lésions de la moelle épinière
Chan Gao
Ivy Sun
Chaque mois, dans les MRM Insights, un membre du Réseau de médecine régénérative de McGill offre une perspective unique sur les sujets des cellules souches et de la médecine régénérative. Dans cette édition, le Dr Chan Gao, Professur adjoint dans les Départments de médecine et de chirurgie, et scientifique junior à l’IR-CUSM, s’est associé à Ivy Sun, une stagiaire de recherche de premier cycle dans son laboratoire. Ensemble, ils nous parlent d’un modèle murin pour élucider les mécanismes sous-jacents à l’ossification hétérotopique neurogène associée à une lésion de la moelle épinière.
Un modèle murin pour étudier l’ossification hétérotopique neurogène dans les lésions de la moelle épinière
L’ossification hétérotopique (OH) correspond à la formation osseuse ectopique dans des tissus mous tels que les muscles et les tendons, provoquant douleur, raideur articulaire et compromission neurovasculaire. Les blessures propices à l’OH comprennent celles résultant d’accidents de la route et de chutes, le remplacement chirurgical ou la reconstruction des articulations, et la surutilisation répétée des muscles et des tendons par les athlètes de haut niveau. L’OH est conceptualisée comme une forme de régénération et de réparation tissulaires aberrantes caractérisées par une inflammation prolongée. Les thérapies disponibles pour l’OH, y compris les anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS), les bisphosphonates et la radiothérapie, sont largement inefficaces et soulèvent des préoccupations en matière de sécurité pour une utilisation à long terme.
Modèle murin d’OHN associée à une lésion médullaire. Les neurones sensoriels du ganglion rachidien dorsal (DRG) de souris SCI+MTI présentent des caractéristiques morphologiques distinctes par rapport à ceux extraits de souris témoins naïves. Les neurones du DRG des souris témoins (A) montrent des corps cellulaires normaux (flèches bleues) et des connexions axonales intactes (flèches vertes). Les neurones du DRG des souris SCI+MTI (B) se caractérisent par des corps cellulaires anormaux (flèches orange) et des connexions axonales perturbées (flèches rouges). L’os non décalcifié coloré au Von Kossa (en haut) montre une OHN formée dans le quadriceps endommagé avec une perte concomitante d’os orthotopique chez les souris SCI + MTI à 3 semaines postopératoires (D) par rapport aux souris témoins naïves (C). Des sections adjacentes colorées au Safranin O (en bas) montrent un cartilage anormal dans les genoux des souris SCI+MTI. Un grossissement élevé de l’os ectopique (carré jaune) dans les genoux des souris SCI+MTI montre des colonnes organisées de chondrocytes rappelant la plaque de croissance en développement.
L’OH résultant de lésions du système nerveux central (SNC), c’est-à-dire du cerveau et/ou de la moelle épinière, est appelée OH neurogène (OHN). L’OHN a été reconnue pour la première fois comme une complication fréquente et grave des lésions traumatiques de la moelle épinière (Spinal Cord Injury, SCI) chez les vétérans paraplégiques de la Première Guerre mondiale1. Elle est maintenant diagnostiquée chez plus de 20 % des personnes vivant avec les conséquences d’une SCI grave2, qui affecte les muscles et les tendons autour des grandes articulations. Comme l’os orthotopique, l’os ectopique est censé se développer à partir de la condensation des cellules progénitrices et de la différenciation ostéogénique sous l’influence des cytokines locales et des facteurs de croissance11,12. Des travaux antérieurs utilisant des modèles in vivo ont impliqué les cellules endothéliales, les progéniteurs fibro-adipogéniques (FAP) musculaires, les péricytes et les précurseurs de ténocytes dans l’OH3-7. D’autres suggèrent que les précurseurs ostéogéniques circulants (COP) dans le sang périphérique migrent vers les sites de remodelage osseux et de lésions musculaires squelettiques pour former de l’os ectopique8,9. Cette hypothèse est étayée par des données cliniques documentant l’OH dans des échantillons prélevés chez des patients présentant des conditions prédisposantes, notamment des lésions du SNC10.
En l’absence d’un modèle cliniquement pertinent permettant d’étudier les mécanismes pathogènes sous-jacents à l’OHN associée à une SCI, nous avons récemment développé une souris qui reproduit la présentation clinique d’une SCI traumatique sévère avec des lésions myotendineuses concomitantes (SCI+MTI). Des souris adultes jeunes subissent une SCI complète par section de la moelle épinière à T9-10 suivie d’un écrasement du muscle quadriceps et d’une ténotomie. Une caractérisation phénotypique à l’aide d’analyses histologiques révèle la présence d’os et de cartilage ectopiques dans le quadriceps endommagé, avec une perte concomitante d’os orthotopique chez les souris SCI+MTI euthanasiées 3 semaines après l’opération (Figure). Une analyse initiale des neurones sensoriels isolés du ganglion rachidien dorsal (DRG) lombaire prélevé en dessous de la SCI, 3 jours après l’opération, révèle une morphologie altérée. Bien que ce travail associe la neurogenèse sensorielle à l’ostéogenèse dans le contexte de l’OHN associée à une SCI, les voies moléculaires restent indéfinies. Une meilleure compréhension de ces mécanismes pathogènes dans notre modèle sera obtenue grâce à un profilage protéomique non biaisé.
Des analyses protéomiques ont été réalisées sur des échantillons de tissus de patients présentant une ossification du ligament longitudinal postérieur, une ossification thoracique du ligamentum flavum et une OH traumatique. Des différences statistiquement significatives ont été démontrées dans les voies impliquées dans l’inflammation et l’immunité, le métabolisme des lipides, le métabolisme des espèces réactives de l’oxygène, l’angiogenèse, la différenciation des cellules souches mésenchymateuses en ostéoblastes et la minéralisation de la matrice extracellulaire17-19. Une autre étude préclinique a révélé une dysrégulation des voies du TGFβ, de la MAPK, de la coagulation et du stress oxydatif dans un modèle de lésion musculaire squelettique chez le rat20. Nous entreprendrons une analyse protéomique complète des neurones sensoriels du DRG et du tissu myotendineux du quadriceps prélevés sur des souris SCI+MTI. Cette approche permettra d’identifier des cibles moléculaires potentielles pour le développement de nouvelles applications diagnostiques, pronostiques et thérapeutiques.
Références
1. Eisenstein N, Stapley S, Grover L. Post-traumatic heterotopic ossification: an old problem in need of a new solution. J Orthop Res. 2018;April 2018:1061-1068.
2. Sullivan MP, Torres SJ, Mehta S, Ahn J. Heterotopic ossification after central nervous system trauma: A current review. Bone Joint Res. Mar 2013;2(3):51-7. doi:10.1302/2046-3758.23.2000152
3. Wosczyna M, Biswas A, Cogswell C, Goldhamer D. Multipotent progenitors resident in the skeletal muscle interstitium exhibit robust BMP-dependent osteogenic activity and mediate heterotopic ossification. J Bone Miner Res. 2012;27(5):1004-1007.
4. Lees-Shepard J, Goldhamer D. Stem cells and heterotopic ossification: lessons from animal models. Bone. 2018;109:178-186.
5. Agarwal S, Loder S, Cholok D, et al. Scleraxis-lineage cells contribute to ectopic bone formation in muscle and tendon. Stem Cells. 2017;35(3):705-710.
6. Liu H, Jiang R. MKX-deficient mice exhibit hedgehog signalling-dependent ectopic ossification in the achilles tendons. J Bone Miner Res. 2019;34(3):557-569.
7. Tirone M, Giovenzana A, Vallone A, et al. Severe Heterotopic Ossification in the Skeletal Muscle and Endothelial Cells Recruitment to Chondrogenesis Are Enhanced by Monocyte/Macrophage Depletion. Frontiers in immunology. 2019;10:1640. doi:10.3389/fimmu.2019.01640
8. Otsutu S, Tamai K, Yamazaki T, Yoshikawa H, Kaneda Y. Bone marrow-derived osteoblast progenitor cells in circulating blood contribute to ectopic bone formation in mice. Biochem Biophys Res Comm. 2007;354:453-458.
9. Jaerve A, Bosse F, Muller H. SDF-1/CXCL12: its role in spinal cord injury. Int J Biochem & Cell Biol. 2012;44:452-456.
10. Egan K, Duque G, Keenan M, Pignolo R. Circulating osteogenic precursor cells in non-hereditary heterotopic ossification. Bone. 2018;109:61-64.
11. Erlebacher A, Filvaroff EH, Gitelman SE, Derynck R. Toward a molecular understanding of skeletal development. Cell. 1995;80:371-378.
12. Shore E, Kaplan F. Inherited human diseases of heterotopic bone formation. Nat Rev Rheumatol. 2010;6(9):518-527.
13. Tomlinson R, Christiansen B, Giannone A, Genetos D. The role of nerves in skeletal development adaptation and aging. Frontiers Endocrinology. 2020;11(Article 646)
14. Brazill J, Beeve A, Craft C, Ivanusic J, Scheller E. Nerves in bone: evolving concepts in pain and anabolism. J Bone Miner Res. 2019;34:1393-1406.
15. Sisask G, Silfverswärd CJ, Bjurholm A, Nilsson O. Ontogeny of sensory and autonomic nerves in the developing mouse skeleton. Auton Neurosci. Oct 2013;177(2):237-43. doi:10.1016/j.autneu.2013.05.005
16. Lee S, Hwang C, Marini S, et al. NGF-TrkA signaling dictates neural ingrowth and aberrant osteochondral differentiation after soft tissue trauma. Nature communications. 2021/08/16 2021;12(1):4939. doi:10.1038/s41467-021-25143-z
17. Oh YM, Lee WJ, Kim MG, Ma TZ, Kwak YG, Eun JP. Comparative proteomic tissue analysis in patients with ossification of the posterior longitudinal ligament. World Neurosurg. Jul-Aug 2014;82(1-2):e353-9. doi:10.1016/j.wneu.2013.03.033
18. Crowgey EL, Wyffels JT, Osborn PM, Wood TT, Edsberg LE. A Systems Biology Approach for Studying Heterotopic Ossification: Proteomic Analysis of Clinical Serum and Tissue Samples. Genomics Proteomics Bioinformatics. Jun 2018;16(3):212-220. doi:10.1016/j.gpb.2018.04.006
19. Wang B, Chen Z, Meng X, Li M, Yang X, Zhang C. iTRAQ quantitative proteomic study in patients with thoracic ossification of the ligamentum flavum. Biochem Biophys Res Commun. Jun 10 2017;487(4):834-839. doi:10.1016/j.bbrc.2017.04.136
20. Hoover ME, Martin EC, Llamas CB, et al. Proteomic characterization of a trauma-based rat model of heterotopic ossification identifies interactive signaling networks as potential therapeutic targets. Journal of proteomics. Aug 30 2020;226:103907. doi:10.1016/j.jprot.2020.103907