Effet de la stimulation mécanique sur des cellules souches mésenchymateuses de patients atteints d’ostéogenèse imparfaite

Introduction

L’ostéogenèse imparfaite (OI) est une maladie génétique rare du tissu osseux, causée principalement par une mutation autosomique dominante des gènes COL1A1 ou COL1A2, codant pour les chaînes alpha du collagène de type 1. Dans les formes sévères et chez les patients non marchants, chez qui la pratique d’exercice physique est difficile, l’exposition de l’os aux stimulations mécaniques, en favorisant les mouvements, notamment par la physiothérapie et les aides à la mobilité, est un point essentiel de la pratique clinique. Cependant, les effets de la stimulation mécanique au niveau cellulaire restent inconnus pour cette pathologie.

Hypothèse

L’hypothèse de cette étude est que les cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs) de patients atteints d’OI sont aussi sensibles à la stimulation mécanique que celles de patients sains, justifiant la pratique clinique actuelle.

Patients et méthode

Des hMSCs ont été extraites chez trois témoins sains et trois patients atteints d’OI lors d’une ostéotomie programmée d’un os long du membre inférieur. Les CSM saines et celles souffrant d’OI ont été exposées à des contraintes de cisaillement de 0, 0,7, 1,5 et 3 Pa à une fréquence de 2,8 Hz pendant 30 minutes à l’aide d’un système commercial Ibidi. L’expression génétique de la prostaglandine endoperoxyde synthase 2 (PTGS2), précoce et mécanosensible, a été examinée une heure après la stimulation afin de déterminer la meilleure valeur de la stimulation mécanique. Pour ce niveau de stimulation mécanique, l’expression de sept autres gènes mécanosensibles a également été examinée après exposition à une contrainte de cisaillement intermittente de 1,5 Pa.

Résultats

Dans toutes les hMSCs, la stimulation mécanique a induit la surexpression du gène PTGS2 avec un maximum après l’exposition à une contrainte de cisaillement intermittente de 1,5 Pa et sans différence significative entre les donneurs OI et les donneurs sains. À l’exception du facteur de croissance des fibroblastes 2, l’expression des gènes chez les donneurs OI s’est avérée significativement différente de celle des hMSCs non exposées à la contrainte de cisaillement. De plus, l’expression relative associée à la stimulation mécanique n’était pas significativement différente entre les donneurs sains et les donneurs OI pour la plupart des autres gènes.

Discussion

Cette étude est la première à décrire que les hMSCs de patients atteints d’OI sont aussi sensibles à la contrainte mécanique de cisaillement que les hMSCs de patients sains. La valeur de la contrainte mécanique qui entraîne le plus grand changement dans l’expression de PTGS2 chez les patients atteints d’OI est similaire à celle rapportée dans la littérature pour les patients sains. Ces résultats constituent une étape importante vers d’autres études fondamentales visant à confirmer l’effet du stress mécanique au niveau cellulaire à long terme et, plus important encore, vers le développement de protocoles cliniques pour la stimulation mécanique des patients.

Niveau de preuve

III ; étude comparative avec groupe témoin.

Introduction

Osteogenesis imperfecta (OI) is a rare genetic bone disorder, mainly caused by autosomal dominant mutations of the COL1A1 or COL1A2 genes that encode the alpha chains of type 1 collagen. In severe forms and in nonambulatory patients, for whom physical exercise is difficult, exposing the bone to mechanical stimuli by promoting movement, especially with physiotherapy and mobility aids, is an essential part of clinical practice. However, the effects of mechanical stimulation at the cellular level remain unknown for this disease.

Hypothesis

The study hypothesis was that human mesenchymal stem cells (hMSCs) from patients with OI were as sensitive to mechanical stimulation as those from healthy patients, validating the current clinical practice.

Materials and methods

hMSCs were harvested from 3 healthy control subjects and 3 patients with OI during an elective osteotomy of a long bone of the lower limb. The healthy and OI hMSCs were then exposed to mechanical stimuli, such as intermittent shear stress of 0, 0.7, 1.5, and 3 Pascal (Pa) at a frequency of 2.8 Hertz (Hz) for 30 minutes using a commercial ibidi system. The immediate early gene expression of the mechanosensitive prostaglandin-endoperoxide synthase 2 (PTGS2) was examined 1 hour after stimulation to determine the best level of mechanical stimulation. The expression of 7 other mechanosensitive genes was also examined for this level of mechanical stimulation after applying intermittent shear stress at 1.5 Pa.

Results

In all hMSCs, mechanical stimulation induced PTGS2 gene overexpression with a maximum after exposure to intermittent shear stress of 1.5 Pa and without significant differences between OI and healthy donors. Except for fibroblast growth factor 2, gene expression in OI donors was found to be significantly different from that in hMSCs not exposed to shear stress. Moreover, the relative expression associated with mechanical stimulation was not significantly different between healthy and OI donors for most other genes.

Discussion

This is the first study to demonstrate that hMSCs from patients with OI are as sensitive to mechanical shear stress as those from healthy donors. The mechanical stress that resulted in the greatest change in the expression of PTGS2 in patients with OI was similar to that previously reported in the literature for healthy subjects. These findings are an important step toward further fundamental research aimed at confirming the effects of mechanical stress at the cellular level over the long term and, more importantly, toward developing clinical protocols for delivering mechanical stimuli to these patients.

Level of evidence

III; comparative case-control study.