Chapitre 1 : Le rétrécissement aortique calcifié (RAC)
1.6 Physiopathologie du RAC
1.6.4 Transition ostéogénique et minéralisation de la VA
Les cellules impliquées dans la différenciation ostéoblastique
À un stade avancé du processus inflammatoire, les fibroblastes produisent une quantité accrue des fibres de collagène. En effet, au cours de la progression du RAC, un sous-groupe de
fibroblastes se différencie en myofibroblastes valvulaires. Lorsqu’ils seront activés par des cytokines inflammatoires et des Ox-LDLs, les myofibroblastes subissent une transdifférenciation phénotypique et se différencient alors en ostéoblastes « osteoblast-like cells » capables d’induire la formation d’une matrice calcifiée. Cependant, les fibroblastes ne sont pas les seules cellules impliquées dans ce processus, d’autres types cellulaires pourraient servir de base et se différencient eux aussi en ostéoblastes. En effet, des études ont démontré que des cellules endothéliales de la valve mitrale (CEs) pouvaient subir une transformation endothéliale mésenchymale (EMT) et donc, se transformer en cellules mésenchymales capablent de déclencher la fibrose et la calcification [126,139].
D’autres études ont aussi démontré que des précurseurs d’ostéoblastes pouvaient infiltrer la VA et subir une différenciation en ostéoblastes actifs [140,141]. Premièrement, il y a les cellules ostéoprogénitrices circulantes qui proviennent de cellules souches (CD34+). Ces dernières sont originaires de la moelle osseuse. Les cellules ostéoprogénitrices sont impliquées dans la croissance et la réparation d'os et peuvent reproduire le processus de calcification [142,143].
Ensuite, les cellules myéloïdes calcifiantes (CD33), qui sont dérivées de la moelle osseuse, contribuent également à la calcification de la VA [144]. Il est important de noter que la différenciation vers un type de cellules donné nécessite l’expression de facteurs de transcription spécifiques [559]. Par exemple, l’expression de RUNX2 est nécessaire pour la différenciation ostéoblastique. Ainsi, la différenciation progressive de l’ostéoblaste est caractérisée par l’expression de certains marqueurs ostéoblastiques précurseurs tels que le récepteur de la PTH (PTH-R), la phosphatase alcaline (ALP), le collagène de type I (COLL-I), l’ostéopontine (OP) ou tardifs telle que l’ostéocalcine (OC) [559].
Les principales voies de signalisation pro-calcifiantes
Les études précédentes ont révélé que cette transition ostéoblastique est essentiellement le résultat de l'activation de plusieurs voies de signalisation calcifiante [145]. Il s’agit essentiellement de la voie Wnt3/Lrp5/β-caténine (wingless-type MMTV integration site family, member 3)/ (LDL receptor-related protein 5-protéine apparenté au récepteur des LDL 5) /β-Catenin [11, 146,147] (Figure 1-7). De plus, l'activation d’autres cascades de signalisation pro-ostéogénique, notamment la voie des protéines BMPs [144,145], la voie du TGF-β [145,148], la voie de l’angiotensine [149,150] et le système RANK/RANKL [127,145], contribuent de façon active à l'initiation de la minéralisation de la VA et à la progression du RAC. En second lieu, le phénotype ostéoblastique des myofibroblastes favorise l’expression de plusieurs marqueurs ostéoblastiques incluant
l’ostéopontine (OPN) [151], l’ostéonectine, l’ostéocalcine [152], la ténascine C [153], la protéine morphogénique BMP2 [85,144], la phosphatase alcaline (ALP) et le facteur de transcription ostéoblastique RUNX2 [85,154]. À cet égard, les études ont démontré que l'expression de ces marqueurs est augmentée dans les VA calcifiées humaines par rapport aux valves saines [151,154]. Par ailleur, l’analyse de VA explantées lors d’un RVA a montré que 10 à 15% des valves présentent une métaplasie chondro-ostéogénique [144]. De plus, ces valves sont caractérisées par la présence d’os lamellaire mature avec des éléments hématopoïétiques [144]. Par conséquent, la transition complète des CIVs vers des cellules ostéogéniques se produit au moins dans un sous-groupe de patients durant le développement du RAC.
Rôle de la protéine BMP2 dans la réponse ostéoblastique
Il est important de noter que dans la maladie du RAC, les BMPs agissent via la voie de phosphorylation des protéines Smad et conduisent ainsi à la surexpression des facteurs de transcription ostéogénique, tels que RUNX2, MSX2 et OSTERIX [155]. Les protéines BMP2 et BMP4, deux membres de la superfamille du TGF, sont les puissants morphogènes ostéogéniques qui régulent la minéralisation de la VA. En fait, BMP2 contrôle la formation osseuse par deux voies : d’une part, BMP2 pourrait activer la voie RUNX2, un régulateur principal de transcription ostéoblastique. À son tour RUNX2 augmente l'expression de protéines liées à la calcification, y compris l'ostéopontine et l'ostéocalcine. Il a été démontré que RUNX2 est surexprimée dans les lésions valvulaires aortiques humaines. Ainsi, l’activation de RUNX2 favorise la calcification via une voie dépendante de BMP2 [111,156]. D’autre part, BMP2 pourrait également induire l’expression d’un autre facteur de transcription, MSX2, par l’activation de voie de signalisation Wnt/β-Catenin. En effet, la protéine Wnt se lie au récepteur Lrp5 et au co-récepteur Frizzled présents sur la membrane extracellulaire des myofibroblastes formant ainsi le complexe Lpr5/Wnt/Frizzled qui déclenche l’accumulation de β-caténine. Ce dernier, une fois stabilisé, subit une translocation vers le noyau où il contrôle l'expression de BMP2 (Figure 1-7). Rajamannan et al. ont documenté l’implication de la voie Wnt3a/β-catenin/Lrp5 dans les VA minéralisées [146,157]. De plus, chez un modèle animal hypercholestérolémique avec RAC, l'expression de β- catenin et Lrp5 était augmentée [146,158]. Prises ensemble, ces études indiquent que les BMPs sont capables d’induire un phénotype de type ostéoblaste chez les CIVs.
Figure 1-7 : Principales voies ostéogéniques dans les cellules interstitielles valvulaires (CIVs) montrant le rôle de la voie BMP2 et Wnt. Adapté de : [55].
Rôle de la voie NOTCH1 dans la minéralisation de la VA
Parallèlement aux voies ostéoblastiques décrites ci-dessus, la signalisation NOTCH1 a été également décrite comme une voie majeure impliquée dans le processus de la transition ostéoblastique chez les CIVs. D’abord, NOTCH1 est un récepteur impliqué dans la structuration des tissus pendant l’embryogenèse. En effet, la voie NOTCH1 joue un rôle fondamental dans le processus de développement embryonnaire de nombreux organismes permettant ainsi aux cellules voisines de communiquer entre elles. En 2005, Garg et ses collègues ont révélé que des mutations dans le gène NOTCH1 étaient associées à la bicuspidie valvulaire (BAV) chez des familles ayant développé le RAC [14,85]. En outre, chez l'homme, des mutations rares dans le gène NOTCH1 ont été associées avec le développement du RAC chez les patients avec des VA tricuspide (TAV) [159]. Ces études suggèrent que la signalisation NOTCH1 peut jouer un rôle crucial dans le processus de la minéralisation de la VA.
Chez l'humain, quatre récepteurs NOTCH (1-4) interagissent avec cinq ligands Jagged1-2 et delta-like1-3-4 [160]. Lorsque les récepteurs NOTCH sont activés par leurs agonistes (Jagged1- 2 et delta-like1-3-4), la partie c-terminal du récepteur appelé domaine intracellulaire NICD (Notch Intracellular Domain) est hydrolysé par la γ-secretase puis libéré dans le cytoplasme. Cette partie cytoplasmique de NOTCH1 (NICD) migre ensuite du cytoplasme vers le noyau où elle interagit avec la protéine RBP-jk (recombining binding protein suppressor of hairless) pour réguler l’expression des gènes cibles [161,162] (Figure 1-8). Garg et al. ont montré que la voie NOTCH1 est essentielle pour la prévention de la minéralisation de la VA [14]. En effet, chez les CIVs lorsque la voie NOTCH1 est activée, le NICD se transloque dans le noyau puis interagit avec des inhibiteurs de la famille Hairy-related (HEY1-2). À leur tour, HEY1-2 répriment l'expression de
BMP2 et RUNX2 [163]. D’intérêt, NICD pourrait interagir avec la voie Wnt pour contrôler la
réponse ostéogénique des CIVs [85,146] (Figure 1-8). Par conséquent, une dérégulation au niveau des cascades de signalisation NOTCH1 et Wnt entraine une réponse pro-ostéogénique de CIVs [85]. Les souris Notch1 +/- sous une diète Western (occidental) développent une calcification de la VA mais présentent une anatomie valvulaire tricuspide [85,164]. En outre, le dysfonctionnement de la signalisation Notch1 dans des modèles animaux ne conduit pas nécessairement à une bicuspidie mais plutôt à une calcification de la VA. Ce processus est dû à l’absence de répression du gène Bmp2 [164,165]. Pris ensemble, ces études suggèrent que les mutations au niveau de la signalisation NOTCH1 favorisent la transition ostéogénique des CIVs.
Figure 1-8 : Mécanisme de la voie NOTCH1 et l’action probable de H19 sur cette voie. Le rôle d'OxPL sur ces voies n'a pas été étudié dans les CIV. Par contre, dans les cellules endothéliales, OxPL a un impact sur NOTCH1 par un processus qui n'est pas complètement élucidé. Adapté de : [109].
Autres acteurs impliqués dans latransdifférenciation ostéogénique
Outre que la voie Wnt et NOTCH 1, la signalisation de TGF-β1 est également activée dans le RAC. En fait, des études ont montré que TGF-β1 induit une réponse pro-fibrotique et favorise la différenciation ainsi que la calcification des CIVs [145,148]. Par ailleurs, plusieurs études ont démontré que le système RANK/RANKL/OPG et le système rénine-angiotensine (RAS) sont également des acteurs importants impliqués dans les processus pro-ostéogéniques. Ces voies jouent aussi un rôle crucial dans la régulation de mécanisme de la calcification de la VA. En effet, RANK, une protéine transmembranaire, est un membre de la superfamille TNF exprimé par les ostéoclastes. L’interaction entre RANK et son ligand RANKL, exprimé par les cellules stromales et les ostéoblastes, provoque la différenciation et l’activation des cellules ostéoclastiques [166]. Cette voie RANK-RANKL joue un rôle majeur dans la différenciation et l’activation des
ostéoclastes au niveau des os. En effet, la liaison RANK-RANKL induit la déminéralisation osseuse [167], mais augmente la calcification intravasculaire [168]. Ce système peut être bloqué par l'ostéoprotégérine (OPG), un inhibiteur puissant de la résorption osseuse. Celui-çi agit comme un récepteur soluble qui, en se liant à RANKL, bloque l'interaction entre RANK et RANKL [167,169]. Ainsi, une étude histologique sur des tissus des VA calcifiés a documenté une faible expression de RANK et OPG. Cependant, l’expression de RANKL est augmentée dans les mêmes tissus [110,128]. Weiss et al, ont également démontré que l’administration de l’OPG chez des souris hypercholestérolémiques (Ldlr-/-Apob100/100) prévient la minéralisation de la VA et réduit l’expression des gènes ostéogéniques [170]. En outre, le traitement des CIVs par RANKL induit un phénotype ostéoblastique [128]. Pris ensemble, ces études supportent l'hypothèse selon laquelle une augmentation de RANKL/RANK et une diminution de la concentration d'OPG favorisent la calcification de la VA.
Finalement, d’autres acteurs jouent un rôle prépondérant dans la calcification valvulaire. Premièrement, le stress oxydant intracellulaire et la production des ROS semblent être des éléments physiopathologiques centraux impliqués dans le RAC [81, 92, 171,172]. À cet égard, des niveaux élevés de superoxyde (O2-) et de peroxyde d'hydrogène (H2O2) ont été observés dans les
valves humaines calcifiées [81]. De même, il a été décrit dans CMLs et des myofibroblastes vasculaires que le peroxyde d'hydrogène (H2O2) agit comme un inducteur puissant des voies de
signalisations ostéogéniques RUNX2 [91] et MSX2/Wnt [122]. Deuxièmement, la ténascine C, une glycoprotéine de la matrice extracellulaire, a été retrouvée dans des zones calcifiées de VA [135]. Des études ont montré que cette glycoprotéine module l’expression de la MMP2, et elle est associée avec la progression du RAC, [135,153].