Histologie et cytologie de l’os normal

Histologie et cytologie de l’os normal
Introduction :
Le tissu osseux est un tissu conjonctif dont la composition, l’organisation et la dynamique assurent sa fonction mécanique de soutien et son rôle dans l’homéostasie minérale.
En outre, le tissu osseux renferme la moelle, siège de l’hématopoïèse.
Tout au long de la vie, l’os est constamment détruit puis reconstruit au cours des différentes phases du remodelage osseux
Chez l’adulte, le remodelage osseux fait suite au modelage qui se déroule jusqu’à la fin de la croissance.
Un bon équilibre entre les phases de résorption et de formation permet à l’os de conserver ses propriétés mécaniques.
D’autre part, grâce au remodelage, l’os joue un rôle important de réserve calcique capable selon les besoins de libérer ou d’incorporer du calcium.
Composition du tissu osseux :
Le tissu osseux est constitué d’une trame protéique sur laquelle se fixe la phase minérale qui représente 70 % du poids de l’os sec.
A- TRAME PROTÉIQUE :
Elle est constituée essentiellement de fibres de collagène de type I qui représentent environ 90 % de la phase organique de l’os entourées d’une substance fondamentale interfibrillaire.
La molécule de collagène est composée de trois chaînes polypeptidiques disposées en hélices.
Chaque fibre de collagène est faite de faisceaux de fibres primitives elles-mêmes constituées d’un faisceau de fibrilles à structure périodique de 500 à 700 Å d’épaisseur.
Les fibres de collagène sont arrangées parallèlement au sein d’une même lamelle osseuse, mais leur orientation varie d’une lamelle à l’autre, ce qui confère à l’os sa structure lamellaire.
La substance fondamentale interfibrillaire est constituée de composants variés tels que des glycoprotéines (ostéonectine, ostéopontine, sialoprotéine osseuse), des protéines contenant des résidus d’acide glutamique carboxylé (ostéocalcine), des phosphoprotéines, des phospholipides, des protéoglycanes, des cytokines et des facteurs de croissance.
La plus abondante des protéines est l’ostéocalcine qui représente 10 à 20 % des protéines non collagéniques.
Elle jouerait un rôle dans l’attraction des ostéoclastes dans les foyers de résorption et dans la minéralisation.
Plusieurs protéines non collagéniques telles l’ostéopontine, la sialoprotéine, la thrombospondine et la fibronectine renferment une séquence arginine-glycine-acide aspartique (RGD).
Cette séquence RGD caractérise les protéines d’adhésion cellulaire et est reconnue par certaines protéines membranaires appelées intégrines.
Ainsi, les intégrines présentes à la surface des ostéoblastes permettraient leur attachement à la matrice extracellulaire.
Des facteurs de croissance et des cytokines (transforming growth factor b ou TGFb, insulin-like growth factor ou IGF, ostéoprotégérine, tumor necrosis factor ou TNF, les interleukines et les bone morphogenic proteins ou BMP) sont également présents en petites quantités dans la matrice osseuse.
Ces facteurs protéiques jouent un rôle important dans l’activation et la différenciation cellulaire et interviennent dans le couplage entre la formation et la résorption.
B – SUBSTANCE MINÉRALE :
La phase inorganique de la matrice osseuse confère à l’os sa rigidité et sa résistance mécanique et représente aussi une importante réserve minérale.
En effet, environ 99 % du calcium de l’organisme, 85 % du phosphore, entre 40 et 60 % du sodium et du magnésium sont incorporés dans les cristaux qui constituent la substance minérale osseuse.
Elle est essentiellement composée de phosphate de calcium cristallisé sous forme d’hydroxyapatite.
Les cristaux d’hydroxyapatite ont une forme hexagonale, aplatie et sont disposés dans les espaces interfibrillaires.
Leur nombre et leur taille s’accroissent lentement au cours du processus lent de minéralisation secondaire succédant à la minéralisation primaire qui suit immédiatement la synthèse de matrice par les ostéoblastes et qui n’apporte d’emblée qu’environ 60 % de la charge tissulaire minérale.
Structure du tissu osseux :
A – TEXTURE DE L’OS :
L’os tissé ou « woven bone » est un os immature, non lamellaire caractérisé par une disposition anarchique des fibres de collagène.
Il est normalement présent chez l’embryon et chez l’enfant où il est progressivement remplacé par de l’os lamellaire, mais on le trouve également au niveau des cals de fractures, de certaines tumeurs osseuses primitives ou secondaires et la maladie osseuse de Paget.
L’os adulte normal est constitué d’os lamellaire résultant de l’orientation différente des fibres de collagène dans deux lamelles contiguës.
Cette texture lamellaire confère à l’os sa résistance mécanique.
B – ARCHITECTURE DE L’OS :
Elle s’organise en quatre compartiments.
L’os compact et l’os trabéculaire diffèrent selon l’agencement des lamelles osseuses.
La zone intermédiaire entre corticales et spongieux est l’endoste.
L’enveloppe externe des os est le périoste.
Le remodelage osseux s’exerce dans ces quatre compartiments mais à des degrés différents.
1- Os compact :
C’est l’os des corticales.
Il est formé par la juxtaposition d’ostéons, unités structurales élémentaires de l’os cortical dans lesquels les lamelles osseuses sont disposées de façon concentrique autour d’un canal central appelé canal de Havers où circulent les vaisseaux.
Les canaux de Havers sont reliés entre eux par des canaux transversaux, les canaux de Volkmann.
2- Os trabéculaire :
Appelé également os spongieux, il est constitué d’un réseau tridimensionnel de travées osseuses faites d’unités structurales élémentaires en plaques ou en arches, à texture lamellaire régulière.
Entre les travées osseuses se trouve la moelle hématopoïétique.
Cellules osseuses :
Elles assurent les différentes phases au cours du remodelage osseux.
A – OSTÉOCLASTES :
Ce sont les cellules responsables de la résorption osseuse.
L’ostéoclaste est une grosse cellule multinucléée pouvant renfermer de 2 à 30 noyaux et riche en enzymes lysosomales telles la phosphatase acide tartrate résistante ou la cathepsine k et des collagénases.
D’origine hématopoïétique, il appartient à la famille des monocytes/macrophages.
L’ostéoclaste est visible au fond des lacunes de résorption appelées lacunes de Howship, au contact de la matrice osseuse calcifiée.
La zone de contact est caractérisée par la présence de nombreuses vacuoles intracytoplasmiques et une bordure plissée.
À ce niveau, l’ostéoclaste est capable d’acidifier le milieu extracellulaire par la sécrétion de protons grâce à une pompe à protons, ce qui permet la solubilisation de la fraction minérale.
La digestion de la trame organique s’effectue ensuite sous l’action des enzymes protéolytiques contenues dans les lysosomes.
B – OSTÉOBLASTES :
L’ostéoblaste est la cellule sécrétrice des constituants de la matrice organique.
Son origine est mésenchymateuse et il dérive d’une cellule souche pluripotentielle commune aux chondrocytes, fibroblastes, myocytes et adipocytes. De forme allongée ou cuboïdale, les ostéoblastes tapissent la surface osseuse en cours de formation.
Leur cytoplasme renferme un abondant réticulum endoplasmique granuleux, un appareil de Golgi très développé et de nombreuses mitochondries témoins d’une synthèse protéique importante.
Leur fonction principale est la synthèse de la trame protéique de l’os (collagène et protéines non collagéniques).
À l’issue de la période de formation, les ostéoblastes peuvent se transformer en cellules bordantes ou en ostéocytes.
C – OSTÉOCYTES :
Ils proviennent de la transformation de certains ostéoblastes emmurés dans le tissu osseux, à l’intérieur d’une lacune périostéocytaire.
Au cours de cette transformation, les ostéoblastes perdent une grande quantité de leurs organites.
Ils possèdent de nombreux et fins prolongements cytoplasmiques qui leur permettent d’établir des contacts avec les autres ostéocytes et les cellules bordantes qui recouvrent la surface osseuse.
Le cytoplasme des ostéocytes renferme un abondant cytosquelette.
Les ostéocytes interviennent essentiellement dans la transmission des signaux mécanosensoriels et dans les échanges entre les cellules et le microenvironnement.
D – CELLULES BORDANTES :
Elles recouvrent les surfaces osseuses en phase quiescente.
Ce sont des cellules aplaties, avec un cytoplasme pauvre dont la principale fonction serait d’assurer la communication entre la surface osseuse, l’environnement cellulaire et les ostéocytes emmurés dans la matrice osseuse.
Elles jouent également un rôle durant la phase initiale du remodelage osseux.
Sous l’effet de certains stimuli, elles libèrent la surface osseuse permettant ainsi l’attraction des ostéoclastes.
Modelage et remodelage osseux :
Pendant l’enfance, le modelage et le remodelage osseux coexistent, alors que chez l’adulte seul le remodelage persiste.
A – MODELAGE OSSEUX :
Il assure la formation des os in utero et pendant l’enfance jusqu’à la maturité du squelette à l’adolescence.
Il résulte de deux mécanismes, l’ossification endochondrale et l’ossification de membrane.
1- Ossification endochondrale :
Elle assure la formation des os longs chez l’embryon.
Les cellules mésenchymateuses se différencient en chondroblastes puis en chondrocytes responsables de la synthèse d’une matrice extracellulaire riche en protéoglycanes et collagène de type II qui secondairement se calcifie.
Ce cartilage calcifié est envahi par des bourgeons vasculaires qui véhiculent les cellules précurseurs des ostéoclastes et des ostéoblastes.
Ce cartilage calcifié est ensuite colonisé par des ostéoblastes qui synthétisent un tissu osseux immature de texture tissée.
Ce tissu osseux immature est finalement résorbé par les ostéoclastes et remplacé par un tissu osseux lamellaire.
2- Ossification de membrane :
Elle siège au niveau des os plats et, contrairement à l’ossification endochondrale, les cellules mésenchymateuses se différencient directement en ostéoblastes qui élaborent une matrice osseuse de texture tissée.
Plus tard, à l’issue d’une séquence classique de remodelage, cet os tissé est progressivement remplacé par un os mature lamellaire.
B – REMODELAGE OSSEUX :
Tout au long de la vie, l’os est le siège de remaniements permanents.
Ce processus permet de préserver les propriétés biomécaniques du tissu osseux et d’assurer l’homéostasie minérale.
La séquence du remodelage osseux se déroule selon une chronologie bien précise en un même site résultant de l’activité d’une unité multicellulaire de base (basic multicellular unit ou BMU).
Cette activité de remodelage donne naissance aux unités de base du tissu osseux appelées ostéons dans l’os cortical et unités structurales élémentaires (basic structure unit ou BSU) dans l’os spongieux.
Elle débute par une phase d’activation des ostéoclastes qui conduit à la résorption osseuse suivie d’une phase de transition qui aboutit au recrutement des cellules ostéoprogénitrices, puis à la formation et à la minéralisation d’une nouvelle matrice osseuse.
À chaque instant, environ 5 % des surfaces intracorticales et 20 % des surfaces trabéculaires sont le siège d’un remodelage.
Ce processus implique un couplage étroit entre la phase de résorption et la phase de formation.
La durée moyenne d’une séquence de remodelage est de 4 à 6 mois.
1- Phase d’activation :
La séquence du remodelage débute en un point d’une surface osseuse quiescente recouverte par des cellules bordantes.
Ces cellules seraient capables de percevoir un signal d’initiation dont la nature exacte est inconnue mais qui pourrait être de nature hormonale, transmis par des cytokines produites localement ou relever d’un stimulus mécanique.
La captation de ce signal conduirait à la dégradation de la fine couche de matrice non minéralisée située sous les cellules bordantes, exposant ainsi la matrice minéralisée à l’action des ostéoclastes.
2- Phase de résorption :
Elle débute par l’activation des précurseurs ostéoclastiques présents dans la moelle osseuse au site de remodelage et conduit à leur différenciation en ostéoclastes matures et à leur attachement à la surface osseuse.
Les mécanismes contrôlant l’ostéoclastogenèse sont encore mal connus.
Toutefois, des études récentes ont montré que la différenciation et l’activité ostéoclastiques sont modulées par des facteurs libérés par les cellules stromales de la lignée ostéoblastique.
Leur synthèse varie avec l’âge et est modulée par certaines hormones telles les oestrogènes.
Ainsi, la synthèse d’interleukine 6 (IL-6) est stimulée par la parathormone et la 1,25 dihydroxyvitamine D3.
Les cellules stromales ostéoblastiques synthétisent également le macrophage-colony stimulating factor (M-CSF) qui est un stimulateur de la résorption.
D’autres cytokines de type TNF-a produites par les monocytes ont un effet mitogénique sur les précurseurs ostéoclastiques et régulent la production de M-CSF et IL-11 par les cellules stromales.
Ces cytokines agissent par l’intermédiaire des voies de signalisation gp130.
Les cellules stromales ostéoblastiques expriment également RANK ligand (RANKL) qui stimule l’ostéoclastogenèse en agissant sur RANK situé à la surface des précurseurs ostéoclastiques mononucléés.
À l’inverse, l’ostéoprotégérine, facteur soluble également produit par les cellules ostéoblastiques agit comme un antagoniste de RANK ligand.
La production de RANK ligand et de l’ostéoprotégérine par les cellules stromales ostéoblastiques est sous la dépendance des hormones et des cytokines qui contrôlent la résorption osseuse.
Une fois attaché à la matrice osseuse, l’ostéoclaste crée un microenvironnement acide qui permet la dissolution de la phase inorganique qui précède la dégradation de la fraction protéique de la matrice osseuse grâce à l’équipement enzymatique de l’ostéoclaste.
La lacune de résorption ainsi créée est appelée lacune de Howship.
La phase de résorption dure environ 30 jours.
3- Phase de réversion :
C’est durant cette phase de transition qu’intervient le couplage entre résorption et formation.
Il a été suggéré que les facteurs favorisant la formation osseuse soient intégrés dans la matrice osseuse et relargués durant la phase de résorption.
Cela concernerait en particulier les insulin-like growth factors (IGF), les fibroblast growth factors (FGF), le transforming growth factor-b (TGF b), les bone morphogenic proteins (BMP) et le platelet derived growth factor (PDGF).
La surface osseuse ainsi libérée par les ostéoclastes et correspondant au fond de la lacune de Howship, appelée ligne cémentante, est riche en éléments tels que l’ostéopontine qui activerait les ostéoblastes.
Après 1 à 2 semaines, cette phase aboutit au recrutement des cellules ostéoprogénitrices dans la moelle osseuse.
4- Phase de formation :
Elle débute par la prolifération des cellules ostéoprogénitrices qui vont ensuite tapisser le fond de la lacune de Howship, au niveau de la ligne cémentante.
Les ostéoblastes vont alors synthétiser les constituants de la matrice protéique osseuse non encore minéralisée appelée ostéoïde.
La vitesse d’apposition de la matrice par les ostéoblastes est de 2 à 3 µm/j.
Puis après un délai de 10 à 15 jours, le tissu ostéoïde se minéralise par l’apposition de cristaux d’hydroxyapatite dans les espaces interfibrillaires du collagène.
Cette étape de minéralisation comporte une phase rapide appelée minéralisation primaire puis se poursuit plus lentement pendant une durée variable appelée minéralisation secondaire.
La durée de la minéralisation secondaire est liée à la fréquence du remodelage.
Ainsi, en cas de bas niveau de remodelage, la phase de minéralisation secondaire est allongée, d’où une augmentation de la minéralisation des BSU.
À l’inverse, une activation globale du remodelage conduit à un moindre degré de minéralisation du tissu osseux.
La durée de la phase d’ostéoformation est de 4 à 5 mois.
5- Phase quiescente :
Une fois la phase de formation achevée, les ostéoblastes laissent la place aux cellules bordantes qui vont recouvrir la surface osseuse et demeurer quiescentes jusqu’à une prochaine activation focale des ostéoclastes.
Vieillissement osseux :
Un juste équilibre entre les activités de résorption et de formation assure le maintien de la masse osseuse, mais cet équilibre n’est plus respecté au cours du vieillissement.
Il se produit avec l’âge et dans les deux sexes, une diminution progressive de l’épaisseur des unités structurales élémentaires alors que la profondeur des lacunes de résorption ne diminue pas.
Il en résulte un déficit de chaque unité structurale élémentaire.
En outre, chez la femme, au cours de la ménopause, la chute du taux des oestrogènes induit une accélération du remodelage osseux qui a pour conséquence une accentuation de la perte osseuse élémentaire.
Ce processus conduit à un amincissement et à une perforation des travées osseuses et donc une détérioration de la microarchitecture osseuse.
Il en résulte une fragilisation du squelette qui ne peut plus assurer ses fonctions de soutien, ce qui se traduit par la survenue de fractures le plus souvent vertébrales.
Méthodes d’investigations :
A – MARQUEURS BIOCHIMIQUES :
Ils reflètent globalement le remodelage osseux sur l’ensemble du squelette.
On distingue les marqueurs de la formation et de la résorption osseuse : les taux sériques de l’ostéocalcine et de la phosphatase alcaline osseuse donnent une évaluation de la formation osseuse.
La résorption osseuse est essentiellement reflétée par les taux urinaires des produits de dégradation du collagène : pyridinoline et déoxypyridinoline, tellopeptides C (u-CTX) et N (u- NTX) terminaux du collagène.
B – HISTOMORPHOMÉTRIE OSSEUSE :
L’analyse quantitative de biopsies osseuses transiliaques permet d’évaluer le remodelage osseux à l’échelle de l’unité structurale élémentaire.
L’histomorphométrie osseuse consiste en la mesure des paramètres qui reflètent la structure, la microarchitecture et le remodelage osseux.
C’est la seule méthode permettant d’étudier le tissu osseux à l’échelle de l’unité structurale élémentaire, c’est-à-dire au niveau intermédiaire d’organisation du tissu osseux.
L’observation qualitative sous lumière polarisée de coupes histologiques de biopsies transiliaques non décalcifiées permet d’apprécier la texture osseuse.
L’analyse quantitative mesure les paramètres de structure (le volume trabéculaire osseux, l’épaisseur des corticales), de microarchitecture (l’épaisseur et le nombre des travées, la distance séparant les travées) ainsi que les paramètres reflétant la connectivité osseuse.
La résorption osseuse est évaluée par l’étendue des surfaces de résorption, la profondeur des encoches de résorption et le nombre des ostéoclastes.
L’activité de formation est estimée par les surfaces, le volume et l’épaisseur des liserés ostéoïdes. En outre, l’utilisation du double marquage par la tétracycline permet une approche dynamique de la minéralisation primaire.
En effet, la tétracycline ayant la capacité de se fixer sur les fronts de calcification, elle marque d’un liseré fluorescent visible sous lumière ultraviolette la limite entre ostéoïde et os calcifié.
Cette technique permet de mesurer les paramètres dynamiques de la formation, en particulier la vitesse de minéralisation et de calculer l’activation frequency qui évalue la fréquence du remodelage osseux.
Conclusion :
La connaissance de la physiologie osseuse à l’échelle tissulaire et des facteurs contrôlant les différentes phases du remodelage osseux apparaît essentielle pour la compréhension des mécanismes physiopathologiques responsables des ostéopathies diffuses et le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques faisant appel soit à des agents antiostéoclastiques (oestrogènes, raloxifène, bisphosphonates), soit à des stimulateurs de l’ostéoformation (parathormone injectable), soit à des agents découplants (ranelate de strontium).

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