3 Données morphologiques

3-1 Les cellules

Il existe deux lignées de cellules osseuses :

- la lignée ostéoblastique qui comprend les préostéoblastes, les ostéoblastes, les ostéocytes et les cellules bordantes.

- la lignée ostéoclastique qui comprend les préostéoclastes et les ostéoclastes.

3-1-1 La lignée ostéoclastique : les ostéoclastes détruisent le tissu osseux ancien.

Ce sont de grandes cellules post-mitotiques (100µm) plurinuclées, issues de la fusion de cellules mononuclées (10-20 noyaux en moyenne) ( Figure 9, morphologie, schéma ) . Elles sont hautement mobiles et se déplacent sur les travées osseuses et à l'intérieur des lacunes de résorption qu'elles créent appelées "lacunes de Howship".

Le pôle basal de la cellule en contact avec l'os présente un plissement de la membrane (membrane plissée) (Figure 10: photo ) dont la surface permet des échanges métaboliques nombreux. La zone de contact proprement dite est dénuée de tout organite ( zone claire ) alors que par ailleurs le cytoplasme est chargé de très nombreuses vacuoles, de vésicules et de lysosomes qui contiennent des enzymes capables de détruire la matrice osseuse minéralisée. Les ostéoclastes possèdent une phosphatase acide tartrate résistante que l'on peut colorer dans les tissus après inclusion ( figure 23: ostéoclaste/phosphatase acide ). Les ostéoclastes matures sont caractérisés par l'existence d'un récepteur à une hormone: la calcitonine dont l'effet se traduit par une rétraction cellulaire et une inhibition de la résorption, et par des récepteurs à la vitronectine , aussi appelés intégrine, alpha v/beta 3 et capable de se lier à d'autres molécules que la vitronectine telle que l'ostéopontine, nécéssaires à l'adhésion de l'ostéoclaste sur la travée osseuse.

3-1-2 La lignée ostéoblastique : les ostéoblastes synthétisent la matrice osseuse nouvelle (Ostéoblastes shéma : Figure 11 ).

3-1-2-1 Les préostéoblastes

Les préostéoblastes sont issus de la division de cellules localisées dans la moëlle pour l'os trabéculaire. Ces préostéoblastes sont des cellules allongées situées au contact des ostéoblastes matures.Ils sont capables de se diviser et expriment une enzyme: la phosphatase alcaline.

3-1-2-2-Les ostéoblastes matures (Figure 12: Ostéoblastes photo )

Leur fonction est de synthétiser la matrice osseuse collagénique et de participer à la minéralisation de celle ci. Ils forment un tapis de cellules jointives (disposition pseudo-épithéliale) et communiquent entre eux par des structures appélées jonctions gap (Figure 13 : photo microscopie electronique ) bien individualisables en microscopie électronique, permettant le passage de certaines molécules et la transmission de cellule à cellule de messages chimiques comme le calcium intracellulaire. Le noyau est situé au pôle basal et comme ce sont des cellules qui ont une activité de synthèse importante, la partie apicale de leur cytoplasme fortement basophile contient de nombreux organites: mitochondries, appareil de Golgi et un ergastoplasme rugueux très développés. Leur membrane est riche en une enzyme: la phosphatase alcaline.Cette enzyme passe dans le sang circulant et peut être dosée et est un index de la formation osseuse. Ils reposent sur une couche de tissu constitué de collagène, de protéines non collagéniques (ostéocalcine,décorine, ) et de glycosaminoglycanes, non encore minéralisé appelé tissu ostéoide. Ce tissu sera minéralisé dans un second temps (chez l'homme en moyenne 10-20 jours après la déposition de la matrice). Dans certains phénomènes pathologiques comme le déficit en vitamine D, le tissu ostéoide ne se minéralise pas ou plus lentement et l'épaisseur du tissu ostéoide augmente.L'os devient plus mou et les patients présentent des fractures.

Une fois que l'ostéoblaste a terminé la déposition de la matrice trois destins sont possibles :

3-1-2-3 L'ostéocyte

- soit l'ostéoblaste est emmuré dans la matrice minéralisée et il devient alors un ostéocyte. (Figure 14 : Ostéocyte, microscopie électronique).

10 à 20% des ostéoblastes deviennent des ostéocytes soit 25000/mm3 de tissu osseux. L'ostéocyte, situé dans un logette ovalaire ou ostéoplaste, (Figure 24: os microscopie à balayage) est relié à ses congénères et aux cellules de la surface de la travée osseuse par tout un réseau de canalicules dans lesquels l'osteocyte émets de fins prolongements. (Figure 15 : ostéocyte Microscopie optique ). Ces canalicules reliés forment un réseau dans lequel circule un fluide extracellulaire. La surface d'échange de ces canalicules représente 1000 à 4000 m2. Les ostéocytes communiquent entre eux par le biais de jonctions gap. Il est reconnu que bien que l'osteocyte ait un niveau d'activité métabolique bien inférieur à celui de l'ostéoblaste, il est capable de synthétiser du collagène qui se minéralise secondairement. Par ailleurs, du fait de sa situation privilégiée dans le tissu osseux, il joue un rôle dans la transmission des variations de contraintes mécaniques appliquées au tissu osseux et qui influencent son métabolisme. La possibilité que l'ostéocyte puisse résorber sa matrice est maintenant infirmée.

3-1-2-4 la cellule bordante

- soit il s'aplatit et a un activité métabolique très réduite et devient une cellule bordante :

Chez l'adulte, seules 15% des surfaces trabéculaires sont recouvertes d'ostéoblastes actifs. Le reste des surfaces osseuses est recouvert par des cellules allongées appelées cellules bordantes séparant l'espace osseux de l'espace médullaire. Ces cellules bordantes n'ont pas d'activité de synthèse, néanmoins, il est actuellement admis qu'elles sont capables, sous l'influence de stimuli, de se multiplier et de se redifférencier en osteoblastes actifs. La place de ce pool de réserve dans le métabolisme osseux est encore mal comprise.

-soit enfin l'ostéoblaste peut mourir par mort cellulaire programmée ou " apoptose ".

3-2 Matrice extracellulaire

3-2-1- Le collagène

Le tissu osseux qu'il soit spongieux ou cortical est constitué d'une matrice osseuse minéralisée composée essentiellement de collagène de type 1.

Le collagène est une glycoprotéine fibreuse rigide en forme de tresse à trois brins d'une longueur de 3000Å et de 50Å de diamètre, riche en proline et hydroxyproline. Le collagène est synthétisé sous la forme de tropocollagène (de 3000Å de long) constitué de trois sous unités 2 chaines alpha1 et une chaine alpha 2. Cinq molécules de tropocollagène sont ensuite agencées en microfibrilles ordonnées séquentiellement en longueur avec une période de 640Å. Une fibrille est ensuite constituée par un assemblage régulier de microfibrilles de 100 à 300Å de diamètre visibles au microscope électronique sous la forme d'une alternance de bandes sombres et de bandes claires (Figure 16 fibre de collagène). Enfin la fibre collagénique est un aggrégat de fibrilles en forme de ruban visible au microscope optique.

Dans l'os lamellaire la matrice organique est déposée de façon très organisée conduisant à la juxtaposition de lamelles parallèles biréfringentes lorsque l'on regarde au microscope les coupes osseuses en lumière polarisée. Cet aspect lamellaire (Figure 17 : os lamellaire compact, Figure 18, os lamellaire trabéculaire) est lié au fait que les fibres de collagène sont alternativement déposées sous forme dense puis sous forme lâche. Lorsque, lors de l'ossification primaire, ou lors de phénomènes pathologiques comme dans la maladie de Paget, ou de la réparation des fractures, l'ostéoblaste appose la matrice plus rapidement, cet aspect lamellaire disparaît pour donner lieu à une matrice en mosaïque d'aspect tissé. (Figure 19: Maladie de Paget).

3-2-2- Les protéines non collagéniques (PNC) (10%-15% du contenu protéique osseux) dont un quart provient de la circulation sanguine et est stocké dans l'os.

3-2-2-1 Les protéines carboxylées au niveau de résidus d'acide glutamique de façon vitamine K dépendante :

- L'ostéocalcine est une protéine spécifique du tissu osseux qui a une grande affinité pour l'hydroxyapatite et dont la fonction serait d'inhiber la formation osseuse. Une partie de l'ostéocalcine synthétisée par les ostéoblastes passe dans la circulation sanguine et peut être dosée comme marqueur de la fonction de formation ostéoblastique.

- La gla-protéine matricielle: elle est présente dans la matrice osseuse mais n'est pas spécifique de l'os : on la trouve aussi dans la paroi des vaisseaux où elle joue un rôle d'inhibition de la calcification vasculaire.

3-2-2-2- La glycoprotéine la plus abondante des PNC : l' ostéonectine :

3-2-2-3-Les sialoprotéines (ostéopontine, BSP etc..)

Leur fonction est encore mal connue. On pense que l'ostéopontine permet l'adhésion des ostéoclastes sur la travée osseuse.

3-2-2-4- les  autres protéines d'adhésion: Thrombospondine et Fibronectine

3-2-2-5- les Protéoglycanes

Glycososaminoglycanes : Chondroitine sulfate et héparane sulfate.

Décorine et biglycan : Ces deux protéoglycanes jouent un rôle dans l'agencement des molécules de collagène lors de leur organisation secondaire et tertiaire.

3-3 Le minéral : l'hydroxyapatite de calcium

Le squelette contient 1100 à 120 g de calcium et constitue donc la réserve en calcium de l'organisme car ce calcium est très rapidement mobilisable grâce à l'activation des ostéoclastes par les hormones du métabolisme phospho-calcique comme la parathormone.

La phase minérale est constituée essentiellement de cristaux d'hydroxyapatite de calcium de formule générale Ca10 (PO4) 6 (OH)2 qui ont la forme de petites aiguilles de 600 Å de longueur conférant à l'os sa solidité.

Dans le cartilage et l'os tissé la calcification de la matrice se fait par l'intermédaire des vésicules matricielles qui sont des vésicules émises par l'ostéoblaste ou le chondrocyte hypertrophique dans la matrice cartilagineuse et contenant de fortes concentrations de phophatase alcaline et de minéraux.

Dans le processus de minéralisation du tissu osseux lamellaire les vésicules matricielles n'ont jamais été visualisées. Les noyaux d'hydroxyapatite sont dans un premier temps localisés dans les lacunes des microfibrilles de collagène (phénomène de nucléation) où environ 70% du minéral est déposé. Puis le cristal grossit (croissance cristalline) et comble l'espace disponible. Enfin la calcification s'étend à l'espace interfibrillaire, cette dernière phase durant plus longtemps. L'interface entre matrice organique collagénique et matrice minérale est assurée par les protéines non collagéniques dont la composition favorise l'amorce du processus de nucléation.