Mécanismes cellulaires et moléculaires de la régénération osseuse parodontale

L'os est un des tissus les plus fréquemment lésés. Des connaissances sur les mécanismes biologiques de la réparation osseuse ainsi que sur les techniques permettant sa régénération sont d'une importance capitale pour le succès d'une thérapeutique. Les thérapeutiques parodontales conventionnelles consistent à détartrer et à surfacer les racines infiltrées par des endotoxines bactériennes, ainsi qu'à cureter les tissus gingivaux. Peuvent s'y ajouter de nombreuses thérapeutiques chirurgicales avec ou sans apport de substitut osseux. Comme nous l'avons évoqué, ces thérapeutiques sont généralement suivies d'une réparation plutôt que d'une régénération parodontale. Selon l'American Academy of Periodontology, les procédures régénératrices incluent les greffes et la régénération tissulaire guidée (RTG). Les greffes osseuses peuvent être des autogreffes (prélevées chez le même individu), des allogreffes (à partir de cadavres humains ou de banques d'os) ou encore des xénogreffes (à partir d'os d'espèces différentes). Les matériaux synthétiques ou alloplastiques, tels les hydroxyapatites, les phosphates tricalciques ou le polyméthylmétacrylate, sont biocompatibles. Le matériau de choix est celui des autogreffes puisqu'il est à la fois ostéogénique (présence de cellules osseuses), ostéo-inducteur (présence de BMP, ou bone morphogenic proteins, protéines impliquées dans la morphogenèse osseuse) et ostéo-conducteur (échafaudage favorisant la croissance osseuse). Cependant, face à la limitation quantitative du matériau ou à la nécessité d'un deuxième site chirurgical, de nombreux chirurgiens utilisent soit des allogreffes ou des xénogreffes, soit des matériaux synthétiques qui, malheureusement, ne sont qu'ostéoconducteurs et la cicatrisation parodontale s'accompagne de la formation d'un épithélium long de jonction.

La régénération tissulaire guidée a été mise au point à la suite d'une série d'études réalisées en Scandinavie dans les années 90 par l'équipe de Nyman qui a utilisé différents modèles animaux. Ce groupe est arrivé à la conclusion que si l'épithélium et le conjonctif gingival étaient exclus du site cicatriciel par une barrière physique ou une membrane, une régénération parodontale était possible. Des membranes, résorbables ou non, en divers matériaux ont été et sont utilisées pour jouer le rôle de barrière prévenant la migration des cellules épithéliales le long de la surface radiculaire (figure 1) [2]. Nous ne détaillerons ni ne comparerons ici les différentes techniques chirurgicales mais aborderons de façon détaillée les mécanismes biologiques de la régénération de l'os alvéolaire.

Biologie de la régénération osseuse

Contrairement à beaucoup de tissus, la réparation osseuse se fait par régénération plutôt que par cicatrisation. Idéalement, l'os lésé ou résorbé est remplacé par un os remodelé plutôt que par une cicatrice fibreuse. Pour se déclencher, ce processus régénératif nécessite 3 événements : recrutement, modulation et ostéoconduction [3]. Le recrutement concerne une migration des cellules ostéoprogénitrices vers le site de réparation. La modulation représente l'activation de cellules ostéoprogénitrices et leur différenciation en ostéoblastes actifs. Quant à l'ostéoconduction, elle implique la formation d'un échafaudage tridimensionnel sur lequel les ostéoblastes déposent de l'os nouveau.

Caillot sanguin, angiogenèse

Immédiatement après toute chirurgie osseuse parodontale, une cascade d'événements est déclenchée et commence par la formation du caillot sanguin. Le caillot de fibrine incorpore des protéines plasmatiques (thrombospondine, vitronectine, fibronectine, etc.) et des molécules issues de plaquettes comme le PDGF (platelet derived growth factor). De façon quasi concomitante, des macrophages et des fibroblastes synthétisent des molécules (collagènes, ténascine et protéoglycanes) qui sont incorporées dans le caillot et forment le tissu cicatriciel de granulation [4]. Mis à part le rôle structural du caillot sanguin, la présence de molécules bioactives lui confère des fonctions de régulation et de signalisation pour le recrutement des cellules ostéogéniques. C'est ainsi que des glycoprotéines comme la fibronectine et la thrombospondine, présentes précocement dans le caillot, ont des propriétés adhésives, chémotactiques et mitogènes pour les fibroblastes et autres cellules. Le caillot sanguin est également un réservoir de facteurs de croissance et de différenciation, notamment de PDGF, de TGF-bêta (transforming growth factor beta), de BMP, d'IGF (insulin growth factor) et de FGF (fibroblast growth factor), assurant l'activation, la multiplication et la différenciation des cellules ostéogéniques. Des cellules inflammatoires qui sécrètent des cytokines comme l'interleukine (IL) 1 et l'IL2 pourraient également jouer un rôle important dans les premières phases de la régénération osseuse. Certains de ces facteurs de croissance ou cytokines sont également impliqués dans l'angiogenèse [5]. Elle débute par le bourgeonnement d'un capillaire à partir d'un vaisseau préexistant. Des précurseurs de cellules endothéliales, ou angioblastes, sont activés par des facteurs angiogéniques, dont une vingtaine ont été identifiés à ce jour. Le VEGF (vascular endothelial growth factor) semble jouer un rôle clé en stimulant la migration et la prolifération des angioblastes.

Origine des cellules participant à la régénération osseuse

Plusieurs sources de cellules à potentialités ostéogéniques sont présentes dans le parodonte profond et peuvent participer à la régénération de l'os alvéolaire après parodontite (figure 2) [6, 7]. Le périoste, enveloppe fibro-cellulaire qui recouvre les corticales, contient des ostéoblastes, des préostéoblastes et des cellules ostéoprogénitrices. Les péricytes, cellules situées dans le dédoublement de la membrane basale qui entoure l'endothélium des capillaires, présentent des potentialités ostéogéniques. Le ligament alvéolo-dentaire, ou desmodonte, est un tissu ostéogénique au potentiel réparateur très actif. Des cellules ostéoprogénitrices situées dans les espaces endostés de l'os alvéolaire et dans le ligament peuvent être activées par des facteurs locaux présents dans le caillot sanguin. Des populations de cellules desmodontales multipotentes sont susceptibles de se différencier respectivement en ostéoblastes, cémentoblastes ou fibroblastes. C'est ainsi que des études in vitro ont montré que des cellules desmodontales en culture exprimaient des marqueurs phénotypiques osseux (phosphatase alcaline, ostéocalcine) et développaient des nodules osseux en présence de dexaméthasone, bêta-glycérophosphate et d'acide ascorbique.

Mécanismes de différenciation des cellules ostéogéniques

Une cascade d'interactions va contrôler et séquencer les événements cellulaires accompagnant la migration et la différenciation des ostéoblastes [8]. Ces interactions sont de deux types : d'une part, des inductions instructives dans lesquelles les cellules souches vont recevoir des informations permettant d'exprimer un phénotype biochimique et cytologique spécifique, et, d'autre part, des inductions permissives permettant d'assurer le maintien et la stabilité du phénotype acquis (figure 3). Les cellules doivent tout d'abord répondre à des facteurs solubles ou matriciels par un nombre approprié de mitoses pour devenir spécialisées. Les différents facteurs de croissance précédemment évoqués permettent cet engagement des cellules souches dans la voie ostéogénique [9]. Les cellules doivent ensuite migrer vers le site cicatriciel en réponse à un gradient chimique. Cette chémotaxie, nous l'avons vu, est régulée par des molécules présentes dans le caillot sanguin. Une action séquentielle et combinatoire de facteurs de signalisation va permettre aux cellules progénitrices de se différencier en ostéoblastes métaboliquement actifs. Le phénotype ostéoblastique est caractérisé par l'expression de facteurs comme les TGF-bêta, les BMP2, 4 et 6, les IGF1 et 2, le PDGF, la phosphatase alcaline, l'ostéocalcine et un certain nombre de molécules matricielles osseuses. L'activation des cellules ostéoprogénitrices par les BPM présentes dans le site de réparation est un événement biologique majeur dans la mise en route du programme de différenciation des ostéoblastes. Les cellules capables de répondre au signal BMP sont soit des cellules ostéogéniques déterminées, soit des cellules inductibles comme les péricytes.

BMP

Les BMP sont des membres de la superfamille des TGF-bêta qui jouent un rôle déterminant dans la morphogenèse et la réparation du squelette. En 1965, Urist démontrait que l'implantation d'os déminéralisé dans un site extrasquelettique induisait de novo une formation de cartilage et d'os, puis proposait que l'effet ostéo-inducteur était dû à une activité « BMP » [10]. Depuis, un grand nombre de protéines ostéogéniques ont été découvertes et, à partir d'homologies de séquences, les activines et la plupart des GDF (growth differentiation factors) sont venus s'ajouter à cette famille qui compte à ce jour une vingtaine de membres (tableau 1). Les BMP/GDF sont des homodimères de 30 à 38 kDa synthétisés sous forme de propeptides de 400 à 525 acides aminés. Ils ont été classés en sous-groupes fondés sur les homologies de séquences en acides aminés.

Il existe deux types de récepteurs aux BMP de type sérine/thréonine kinase [11]. Les récepteurs de type 1 sont des glycoprotéines membranaires dont la partie cytoplasmique comporte une région contenant 3 acides aminés (domaine GS) qui précède un domaine protéine kinase. Le récepteur de type 2 est capable de s'autophosphoryler sur les nombreux résidus sérine. Le mode de liaison des BMP à leurs récepteurs est coopératif, impliquant les récepteurs des types 1 et 2 qui lient le ligand avec une haute affinité lorqu'ils sont exprimés ensemble (figure 4). La liaison des BMP avec 2 récepteurs induit une phosphorylation des sérine et thréonine du récepteur de type 1 sur le domaine GS, phosphorylation catalysée par le récepteur de type 2. Une fois activé, le récepteur de type 1 va déclencher, en aval, la phosphorylation des protéines cytoplasmiques, les protéines Smad, et activer la transduction du signal [12] (figure 5). Il existe à ce jour 8 protéines Smad associées aux différents membres de la famille des TGF-bêta. Concernant les BMP, les Smad 5 et 8 phosphorylées sont les médiateurs fonctionnels du signal BMP en partenariat avec Smad 4. Les Smad 6 et 7 ont un effet inhibiteur sur la phosphorylation des Smad 5 et 8 catalysé par le récepteur aux BMP de type 1. Les Smad peuvent s'associer à des éléments de liaison à l'ADN pour former des complexes de contrôle transcriptionnel. Par exemple, Smad 2 forme un complexe avec FAST-1 (forkhead activin signal transducer 1) qui se lie à un élément de réponse sur le gène d'un membre de la famille des BMP, l'activine, et contrôle la transcription du gène Mix-2. Les cibles en aval du signal BMP sont certainement des gènes à homéoboîte. Parmi les candidats possibles, on trouve les protéines Runt/CBFA incluant cbfa1, 2 et 3, osf2 et les homologues humains AML-LA, AML-LB et PebêtaP20. Le domaine Runt est une région peptidique hautement conservée, de 128 acides aminés. La région promotrice du gène de l'ostéocalcine contient une séquence dénommée OSE2 (osteoblast specific element) capable de lier Osf2 et d'activer la transcription [13]. Osf2 contrôle également l'expression de plusieurs gènes de type osseux tels que l'ostéopontine, la sialoprotéine osseuse et la chaîne 1(I) du collagène. Le rôle majeur d'Osf2 dans la mise en route du programme de différenciation des ostéoblastes a été démontré chez des souris transgéniques après invalidation d'Osf2 où l'on observe une absence totale d'os de membrane et son remplacement par du cartilage. De même, la transfection d'Osf2 dans des fibroblastes de peau induit l'expression de la sialoprotéine osseuse et de l'ostéocalcine.

Biotechnologie et ingénierie tissulaire

Des techniques d'ingénierie tissulaire ont été élaborées afin de fabriquer de nouveaux tissus pour le remplacement et la régénération des tissus perdus ou lésés. Des avancées dans le domaine des biotechnologies de facteurs morphogénétiques et des biomatériaux ont convergé vers l'ingénierie tissulaire osseuse.

Si l'implantation de la protéine BMP2 recombinante humaine (rhBMP-2) sous forme lyophilisée induit une formation osseuse, il semble cependant que son immobilisation sur un vecteur adéquat optimise son effet ostéo-inducteur. Bien que le collagène représente le substrat naturel des BMP, son utilisation chez l'humain présente des problèmes potentiels comme la transmission d'antigènes viraux ou d'agents transmissibles non conventionnels. Idéalement, le vecteur des BMP devrait être non collagénique, immunologiquement inerte et biorésorbable. De nombreuses études animales utilisant comme support les BMP du plâtre de Paris, des céramiques phosphate de calcium et des polymères à base d'acide polylactique ont donné des résultats variés et parfois contradictoires [14]. En réalité, il semble qu'à ce jour le substrat idéal reste à inventer. Néanmoins, les BMP sont un intérêt thérapeutique potentiel dans la reconstruction dento-alvéolaire.

Une autre perspective intéressante dans les thérapeutiques régénératives osseuses est constituée par les thérapies cellulaires. Des techniques récentes ont proposé des matériaux hybrides dans lesquels des cellules stromales de moelle osseuse autologues, cultivées sur des supports poreux, se différencient en ostéoblastes actifs [15].

Une recherche expérimentale intéressante est aussi représentée par des approches de thérapie génique. C'est ainsi que des gènes peuvent être transférés sur le site cicatriciel soit directement in vivo, soit ex vivo de façon indirecte en utilisant des vecteurs viraux ou non. Des résultats récents ont montré que l'expression de gènes d'intérêt peut persister pendant plusieurs semaines [16].