Study of the osteoinductive and chondroinductive properties of the heparin affin regulatory peptide on human mesenchymal stromal cells, application in bone regeneration
Etude des propriétés ostéoinductrices et chondroinductrices de "l'Heparin affin regulatory peptide" sur les cellules stromales mésenchymateuses humaines, application en régénération osseuse
Résumé
Bone regeneration is a complicated process which involved many cellular types such as osteoblasts, chondrocytes and mesenchymal stromal cells (MSC). MSC can differentiate toward chondrocytes and osteoblasts, suggesting their implication in bone regeneration processes. Bone reparation involved a complex coordination of growth factors. Among them, heparin affin regulatory peptide (HARP) is found in callus during regeneration. However, its role is poorly understood. The aim of this thesis was (1) to evaluate HARP effects on proliferation, migration and differentiation of MSC in vitro, (2) to evaluate HARP ability to promote bone regeneration or bone formation.Our results demonstrate that HARP has chemoattractive and proliferative properties on human MSC. Moreover, we show for the first time that HARP commits human MSC toward hypertrophy during chondrogenesis. This is of great interest since hypertrophic chondrocytes are of primary importance in the late stage of endochondral bone formation. We further tested the association of HARP to scaffolds in a model of bone regeneration in femoral defect in rat. HARP associated scaffolds showed an invasion of cartilage and bony tissues, mimicking endochondral bone formation, whereas scaffold alone was just filled with fibrous tissue.During regenerative processes glycosaminoglycans, polysaccharides sulfated chains, are known as major components of the extracellular matrix and modulate the effects of growth factors during regenerative processes. Recently, structurally and functionally mimetics of GAG had been developed. During my PhD thesis, I was associated to the work of a doctoral student of P. Albanese who showed that GAG mimetics induce osteoblastic differentiation of MSC without any other osteoinductive treatment. The ectopic implantation of mimetic associated scaffolds didn't show effects on osteoformation but induced an enhancement of vascularization and of osteoclastic activity, both related to tissue remodeling. These results validate that GAG mimetics are of great interest in bone regenerative field.This study demonstrates for the first time the chondroinductive potential of HARP through its ability to induce cartilage specific matrix production by MSC in vitro but also by inducing cartilage tissue synthesis in vivo. The effects of HARP observed on bone regeneration, by inducing an endochondral bone formation similar to that observed in normal bone regeneration, confirm that HARP could be a good candidate in orthopedic surgery. Moreover, scaffold covalently linked with GAG mimetics should be tested in association with HARP. This strategy could increase the half life, control the release and potentiate HARP properties in vivo.
La régénération osseuse est un processus impliquant de nombreux types cellulaires comme les ostéoblastes, les chondrocytes ou les cellules stromales mésenchymateuses (CSM). Les CSM possèdent des capacités de différenciation suggérant leur implication dans ce processus de réparation. La régénération osseuse est le fruit de la coordination complexe de l'activité de nombreux facteurs de croissance. Parmi eux, l'« Heparin affin regulatory peptide » (HARP) est fortement exprimé dans le callus durant la régénération mais son rôle n'est pas clairement établi. Le but de ce travail de thèse a été (1) d'évaluer les effets de HARP sur les propriétés de migration, de prolifération et de différenciation des CSM in vitro ; (2) évaluer la capacité de HARP à induire une formation osseuse ou une régénération osseuse in vivo.Nos résultats démontrent que HARP est chémoattractant pour les CSM et potentialise leur prolifération. De plus, nous montrons pour la première fois que le traitement de CSM par HARP durant leur chondroinduction conduit à une différenciation chondrocytaire de type hypertrophique. Ce type cellulaire est primordial dans les derniers stades de la formation osseuse endochondrale qui se met en place durant la croissance osseuse, mais également durant la réparation. L'implantation de biomatériaux associés à HARP dans un défaut osseux de condyle fémoral a conduit à la formation de cartilage et d'os dans l'implant, reproduisant le mécanisme physiologique de formation osseuse endochondrale. Le biomatériau seul n'a été envahi que par du tissu fibreux.Durant les processus de réparation tissulaire, les glycosaminoglycannes (GAG), des chaînes polysaccharidiques sulfatées, composants majeurs de la matrice extracellulaire, participent à la modulation des effets des facteurs de croissance durant la réparation. Récemment, des mimétiques structuraux et fonctionnels des GAG ont été développés. Durant ma thèse, j'ai été associé au travail d'un doctorant de l'équipe de P.Albanese, qui a montré que des mimétiques de GAG induisent une différenciation ostéoblastique des CSM en l'absence de traitement ostéoinducteur. L'implantation sous-cutanée de biomatériaux covalemment associés aux mimétiques ont également été menées, et ont permis d'observer des potentialisations des processus de vascularisation de l'implant et de l'activité ostéoclastique. Ces resultats ont permis de valider l'interêt des GAG mimétiques dans le cadre des thérapies de régénération osseuse.Cette étude démontre pour la première fois les effets chondroinducteurs directs de HARP sur la production de molécules de la matrice cartilagineuse par les CSM in vitro, mais également sur la synthèse de tissu cartilagineux in vivo. Les effets de HARP observés sur la régénération osseuse confirment qu'il pourrait être un bon candidat en chirurgie orthopédique en permettant une régénération de type endochondrale typique de la réparation physiologique. De plus les nouvelles stratégies developpées dans le laboratoire sur la fonctionnalisation covalente de biomateriaux par des GAG mimétiques, meriteraient d'etre testées en association avec HARP, afin d'augmenter sa demi-vie et de controler son relarguage et ses activités biologiques in vivo.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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