Un petit rappel théorique...

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15/06/2006 à 02h25

FACTEURS DE CROISSANCE PLAQUETTAIRES EN IMPLANTOLOGIE ORALE :
MYTHES OU REALITES ?
ASPECTS FONDAMENTAUX, ETUDE COMPARATIVE, APPLICATIONS CLINIQUES

J.KOSKIEVIC*, J.M.GAREL**, Y.ROUAH ***
MOTS CLES
Facteurs de croissance, concentrés plaquettaires autologues
RESUME
Les concentrés plaquettaires riches en facteurs de croissance, en accélérant la vitesse de cicatrisation et la densité osseuse quand ils sont incorporés à des greffes autogènes, suscitent de grands espoirs en implantologie orale. Le but de cet article est de rappeler les aspects fondamentaux des mécanismes d’action des facteurs de croissance sur la cicatrisation et le remodelage du tissu osseux, de présenter, à partir des documents déjà publiés, une étude comparative des procédés de préparation des concentrés plaquettaires enrichis en facteurs de croissance proposés par différents chercheurs et cliniciens dans le monde et de proposer un protocole opératoire d’applications cliniques en implantologie orale.
* J. KOSKIEVIC ; Docteur en chirurgie dentaire, attaché des hôpitaux, unité de stomatologie de l’hôpital Saint Antoine
** J.M. GAREL ; Professeur des Universités, INSERM U349, hôpital Lariboisière - Saint Louis
*** Y.ROUAH ; D.C.E.O 3. , Paris VII (travaux réalisés dans le cadre de l’option projet personnel)

L’insuffisance d’os résiduel et une cicatrisation déficiente sont des situations cliniques défavorables que l’on rencontre souvent en implantologie orale.

Au cours des dernières décennies, la compréhension des mécanismes moléculaires qui régissent les interactions des cellules osseuses et de leur environnement et la découverte de protéines hautement spécifiques (facteurs de croissance et cytokines), jouant un rôle majeur dans la cicatrisation et le remodelage osseux, a permis d’ouvrir un nouveau champs d’application en chirurgie implantaire.

De plus, l’action de protéines à potentialité inductrice dénommées bone morphogenic proteins (BMP’s) qui interviennent sur la différenciation de cellules souches mésenchymateuses et de récentes avancées sur l’intérêt des sources autologues de facteurs de croissance, en particulier plaquettaires, dans la réparation osseuse, ont permis des avancés cliniques décisives.

En effet, les BMP-2 et BMP-7 sont connues pour leur pouvoir ostéoinducteur et la rhBMP-2 (BMP-2 recombinante humaine) a été utilisée avec succès en implantologie.

Or BMP-2 et TGF-2 interagissent pour stimuler la prolifération et la différenciation des cellules souches ostéoblastiques.
Cette dernière observation montre tout l’intérêt d’un ajout de TGF d’origine plaquettaire pour favoriser la cicatrisation osseuse lors de chirurgie pré-implantaire ou de pose d’implants.

En 1994, Tayapongsak propose de mélanger un concentré plaquettaire (autologus fibrin adhesive : AFA) à des greffes osseuses autogènes dans les reconstructions mandibulaires. Il identifie radiologiquement une consolidation plus rapide dans 33 cas qu’il attribue à l’augmentation de l’ostéoconduction qui permet à des cellules ostéocompétentes de se développer sur le treillis de fibrine apporté par l’AFA.

En 1998, R.E.Marx utilise un concentré autologue de facteurs de croissance d’origine plaquettaire (platelet-rich plasma :PRP) et démontre l’intérêt de cette technique par l’accroissement de la densité osseuse et l’augmentation de la vitesse de cicatrisation dans les greffes osseuses autogènes

En 2000, J.Choukroun propose un procédé de récupération de facteurs de croissance et de cytokines qui sembleraient respecter les conditions medico-légales auxquelles sont soumis les utilisateurs en France.

A/ Aspects fondamentaux

1. Hormones, cytokines et facteurs de croissance

Les hormones sont des substances produites dans un organe et transportées par la circulation sanguine dans un autre organe ou dans un tissu dont elle stimule ou inhibe le développement et/ou les fonctions.

De plus, le taux de sécrétion des hormones est continu bien que modifié par des systèmes physiologiques.

Les cytokines sont des polypeptides ou glycoprotéines de masse moléculaire inférieure à 50 kDa. Elles jouent un rôle fondamental dans les communications intercellulaires en se liant à des récepteurs de haute affinité.

Elles agissent de façon coordonnée sur l’hématopoïèse, la réponse immunitaire, les mécanismes de défense anti-infectieuse, l’immunité anti-tumorale et la physiologie osseuse et sont produites par plusieurs types cellulaires:

*Cellules du système immunitaire : lymphocytes T, lymphocytes B, macrophages, neutrophiles, mastocytes, éosinophiles, plaquettes.

*Cellules endocrines telles que celles de l’adénohypophyse, les cellules placentaires, les ovocytes.

*Autres cellules : musculaires lisses, fibroblastes, astrocytes.

Les cytokines ont une activité surtout locale (selon la localisation de la cellule cible par rapport à la cellule sécrétrice, elles peuvent avoir une action endocrine, paracrine, autocrine ou intracrine), pléïotropique (détermination, par un seul gène, de caractères multiples en apparence indépendant les uns des autres) et redondante (l’induction d’une même réponse cellulaire peut-être obtenue avec différentes cytokines se fixant chacune sur son récepteur spécifique), en réponse à un signal activateur, induisant souvent d’autres cytokines par un effet de cascade.

Les cytokines sont classés en cytokines à spectre large (en majorité les facteurs de croissance) et cytokines à spectre spécifique (monokines et lymphokines).

Les facteurs de croissance sont des polypeptides naturels, diffusant généralement dans la zone locale des cellules qui les sécrètent.

Leur mode de diffusion est essentiellement autocrine (liaisons aux récepteurs du type cellulaire qui les sécrètent) ou paracrine (liaisons aux récepteurs d’un type cellulaire différent situé à proximité), rarement endocrine.

2. Mécanismes d’action des facteurs de croissance

Les facteurs de croissance agissent en se fixant sur les récepteurs membranaires spécifiques (récepteur tyrosine kinase ou sérine-thréonine kinase) des cellules cibles déclenchant, par l’intermédiaire d’une cascade de réactions, la stimulation de messagers intra-cellulaires qui migrent dans le noyau où ils activent par phosphorylation des facteurs transcriptionnels qui engendrent des réponses différentes sur le noyau des différentes cellules cibles.

Ces réponses dépendent de l’état de la cellule, de son environnement, des autres facteurs de croissance. Les facteurs de croissance n’agissent qu’à des doses nanomoléculaires et interviennent sur la prolifération cellulaire par l’augmentation ou la diminution de la production des récepteurs, le changement dans leur affinité pour le ligand ou même l’internalisation par endocytose après la liaison du ligand8.

Ils agissent sur la prolifération cellulaire en tant que facteurs de compétence (ils déplacent le cycle cellulaire de sa phase de repos G0 vers la phase G1 de début de cycle) ou facteurs de progression (ils déplacent les cellules de la phase G1 à la phase S de synthèse de l’A.D.N) et contribuent à la stimulation de la différenciation et aux fonctions métaboliques de la cellule osseuse.

Ces effets, combinés à ceux de la prolifération cellulaire, font des facteurs de croissance des agents essentiels dans le développement embryonnaire, la croissance et la différenciation des tissus, la cicatrisation des blessures et même les altérations pathologiques.

3. Organisation du tissu osseux

L’os a une triple fonction

*Une fonction métabolique : c’est un réservoir métabolique et chimique (homéostasie calcique). Ce processus est sous la dépendance de la régulation hormonale et notamment de PTH, de la calcitonine, du calcitriol, des hormones
sexuelles et de la GH.

*Une fonction mécanique : il répond aux contraintes et aux déformations en remodelant le tissu osseux.

*Une fonction de protection à travers le squelette : il protège les organes vitaux et la moelle osseuse.

Le tissu osseux est composé de cellules (ostéoblastes, ostéocytes, ostéoclastes, cellules bordantes de l’os) et d’une matrice extra-cellulaire constituée de 65% d’éléments minéraux (essentiellement des cristaux d’hydroxyapatite) et de 35% d’éléments organiques.

Le collagène de type I représente plus de 90% de ce matériel organique dans la matrice osseuse, les 10% restants étant constitués de protéines non collagéniques dont moins de 1% de facteurs de croissance osseux enchâssés dans la matrice osseuse pendant l’ostéogenèse et qui participent au maintien de l’activité cellulaire pendant le processus de cicatrisation et de formation osseuse.

Proteines organiques du tissu osseux % Fonctions
Collagène de type I 90 Principale protéine, oriente les forces
Collagène de type V, VIII, XII 1 Associés au type I pour contrôler la structure des fibres collagènes
Osteocalcine (Bone gla-proteine) 1,5 Liaison à l’hydroxyapatite
Osteonectine 2,5 Liaison au calcium
Ostéospontine 0,2 Liaison au calcium et aux cellules
Bone sialoproteine 1 Liaison au calcium et aux cellules
Thrombospondine 0,2 Liaison au calcium,à l’ostéonectine et aux cellules
PS-S1, Biglycane 1 Module l’organisation de la matrice
PS-S2, Decorine 0,2 Module la formation des fibres collagènes. Liaison avec TGF-alpha et contrôle son activité
Facteurs de croissance osseux Régulation entre formation et résorption osseuse. Initie la cicatrisation osseuse après un trauma osseux

4. Biologie du tissu osseux

Le compartiment osseux est séparé du compartiment sanguin par une enveloppe osseuse qui joue un rôle essentiel dans les échanges entre l’os et les liquides extra-cellulaires.

L’essentiel des échanges cellulaires a lieu au niveau des surfaces osseuses, en particulier sur la surface endostée de l’os. Ces surfaces sont recouvertes de cellules ostéogéniques.

Les ostéoblastes sont les cellules responsables de la synthèse et de la minéralisation de la matrice osseuse extra-cellulaire sécrétée au cours de la croissance du squelette, du renouvellement de la matrice osseuse chez l’adulte et de la réparation osseuse.

Elles proviennent de la division et de la différenciation de cellules souches mésenchymateuses présentes chez l’adulte dans le stroma médullaire et capables de se différencier en cellules cartilagineuses, osseuses, musculaires, ou adipocytaires sous l’induction de certains gènes et de facteur locaux et systémiques.

Sous l’action de stimuli mécaniques (contraintes, déformations), les cellules ostéoprogénitrices se différencient pour former le tissu osseux.

Les ostéoblastes synthétisent un os immature (woven bone) qui, par la suite, est remodelé pour être progressivement remplacé par de l’os lamellaire.

Ce remodelage, qui permet à l’os de se renouveler, obéit à une séquence précise : activation par des facteurs systémiques (PTH, calcitriol, calcitonine) et locaux (facteurs de croissance et cytokines), résorption de la matrice osseuse par les ostéoclastes, cellules géantes multinucléées d’origine hématopoïétique, libèrant des BMP’s (bone morphogenetic protéins) et des facteurs de croissance enchâssés dans la matrice organique de l’os.

Après un certain délai (phase d’inversion ou de quiescence), ces facteurs de croissance stimulent les précurseurs ostéogéniques qui se différencient en ostéoblastes métaboliquement actifs. Cette phase de formation ostéoblastique va produire une nouvelle matrice (ostéoïde) qui, après une phase de maturation, se minéralise et subit, à son tour, un remodelage.

Il existe un couplage entre l’activation, la résorption, la formation et la minéralisation (ARFM) qui sont des phénomènes internes et n’entraîne pas de changement dans la taille et la forme de l’os.

Ce cycle de remodelage est réalisé par un groupe de cellules appelé Unité Multicellulaire de Base (BMU) et dure environ 21 semaines.

5. Ostéogenèse, ostéoinduction, ostéoconduction

Trois mécanismes interviennent dans la réparation osseuse : l’ostéogénèse, l’ostéoinduction et l’ostéoconduction.

L’ostéogénèse ou ossification est définie par la formation et le développement du tissu osseux. Elle est caractérisée par l’engagement et la prolifération de cellules ostéoprogénitrices qui, après arrêt de la multiplication cellulaire, se différencient en ostéoblastes fonctionnels.

Il existe deux types d’ossification : l’ossification endochondrale (diaphyse os longs) et l’ossification membranaire (os plats de la voûte crânienne, quelques os de la face, une partie du maxillaire et les zones périostées des os longs).

L’ostéoinduction peut être obtenue soit par des cellules ostéoprogénitrices de la moelle osseuse, récoltées ou cultivées (greffon allogénique), et incorporés dans le défaut osseux, soit par libération, lors de l’ostéoclasie, de protéines morphogénétiques inductrices (BMP’s) intervenant dans la morphogenèse osseuse qui ont la propriété de stimuler les cellules souches mésenchymateuses et de les engager vers la lignée ostéoblastique2.

Quand la quantité de greffon autogène est insuffisante, l’utilisation de matériaux de substitution, synthétiques ou composites, peut s’avérer utile et favoriser la migration et la prolifération des cellules osseuses du site receveur vers le greffon qui sert de support à la réparation osseuse mais n’engendre aucune néo-formation osseuse. On dit de ces matériaux qu’ils sont ostéoconducteurs

6. Action des facteurs de croissance sur la cicatrisation osseuse

L’os peut se réparer spontanément à condition que la lésion soit de petite taille.

L’agression du tissu osseux déclenche un processus réactionnel inflammatoire aigu simultanément à une hémostase spontanée qui permet l’interruption du saignement et la formation d’un caillot sanguin.

Cet ensemble de phénomènes réactionnels se trouve sous la dépendance de facteurs locaux (inhibiteurs, cytokines, facteurs de croissance), de facteurs généraux (âge, facteurs nutritionnels, facteurs hormonaux), de facteurs tissulaires (vascularisation, détersion, absence d’infection, immobilisation).

La technique de « distraction osseuse alvéolaire » illustre ce potentiel d’auto réparation qui aboutit à un cal osseux.

Cette technique reproduit, chez l’adulte, l’ostéogénèse de l’embryon.

Elle est caractérisée par un processus inflammatoire initial auquel fait suite une phase d’hémostase caractérisée par une vasoconstriction, une agrégation plaquettaire et un dépôt de fibrine qui sert de support aux macrophages qui vont phagocyter les tissus nécrosés ou les corps étrangers.

Le caillot sanguin qui apparaît pendant la phase d’hémostase contient des plaquettes sanguines qui libèrent des facteurs de croissance19 comme le platelet derived growth factors (PDGF), le transforming growth factors b (TFG-alpha) , l’insuline-like growth factor-I (IGF-I), l’epidermal growth factor (EGF).

Ceux-ci vont stimuler l’angiogénèse et initier la différenciation des cellules souches mésenchymateuses en cellules ostéoprogénitrices qui vont s’engager vers la voie ostéoblastique.

Les macrophages interviennent comme régulateurs de la phase inflammatoire tardive dont la fonction est aussi bien la détersion des plaies que la sécrétion de cytokines comme l’interleukine-1 (IL-1), le tumor necrosis factor a (TNF-alpha) nécessaires à la stimulation de la phase de réparation.

TNF-alpha apparaît être un facteur angiogénique majeur alors que l’interleukine-I stimule l’activité ostéoclastique et intervient sur l’apoptose .

D’autres facteurs de croissance sécrétés par les granules des plaquettes sanguines exercent une action chimiotactique sur les cellules endothéliales des vaisseaux sanguins peri-lésionnels qui vont initier un processus d’angiogénèse.

En effet, le développement d’un réseau vasculaire fonctionnel requiert la coordination des différents types de signaux échangés entre les cellules par l’intermédiaire de facteurs de croissance angiogéniques dont les vascular endothélial growth factors (VEGF’s), les fibroblast growth factors (FGFs) , les angiopoïetines.

Cette néo-vascularisation permet d’apporter les nutriments et l’oxygène nécessaires à la reconstitution des tissus lésés.

La phase de cicatrisation osseuse qui s’ensuit aboutit soit à une « restitutio ad integrum » de l’os traumatisé, soit à une cicatrisation fibreuse.

L’absence de consolidation est souvent due à la formation d’un mélange de tissus fibreux et osseux ne permettant pas la restauration de la continuité osseuse .

Cette cicatrisation dépend aussi des échanges inter-cellulaires au niveau des surfaces endostées et périostées de la lésion.

Les facteurs de croissance contribuent au recrutement, la prolifération et la différenciation des cellules osseuses en intervenant dès les premières phases de la réparation. TGF-alpha, sécrété à partir des plaquettes du caillot sanguin, va stimuler la prolifération des cellules ostéoprogénitrices qui vont s’engager vers la voie ostéoblastique.

Ces cellules peuvent provenir du périoste et de la moelle osseuse.

Enfin, les cellules des capillaires invasifs comme les péricytes et les cellules endothéliales joueraient un rôle important dans l’origine des cellules ostéoprogénitrices.

Les surfaces endostées et périostées sont recouvertes de cellules souches mesenchymateuses, enchâssées pendant l’ostéogénèse qui peuvent être stimulées très tôt (après 2 jours).

Durant le remodelage osseux, sous l’action de facteurs ostéorésorbants (PTH, Vit D, PgE2), les cellules bordantes se rétractent et libèrent l’accès aux ostéoclastes qui adhérent à la matrice osseuse.

La résorption ostéoclastique terminée (certainement avec la participation des TGF-alpha), les ostéoclastes disparaissent par apoptose et la matrice osseuse résorbée libère des facteurs de croissance à potentialité inductrice comme les BMP’s ( bone morphogenique proteins ) qui induisent la différenciation des cellules souches, tandis que d’autres, comme les IGF’s ( insuline growth factors ), stimulent la prolifération de cellules ostéoprogenitrices vers les bords périostés de la lésion.

Ces cellules prolifèrent et se différencient pour engendrer une réponse cicatricielle. Les ostéoblastes actifs migrent vers le site lésionnel et synthétisent une nouvelle matrice osseuse non encore minéralisée (tissu osteoïde) qui, après de nombreux remaniements biochimiques, se minéralise.

D’autres facteurs de croissance, provenant du trauma, sont sécrétés par les ostéoblastes par mode autocrine et contribuent à maintenir l’activité ostéoblastique. L’ensemble de ces phénomènes engendre la formation sur le site cicatriciel d’un nouveau tissu osseux immature (woven bone) qui sera remodelé et remplacé par de l’os lamellaire (lamellar bone).

Des défauts trop importants peuvent être comblés par des greffes autogènes, allogènes ou par des matériaux de substitution osseux. L’apport de greffon d’os autogène va développer l’ostéoformation en intervenant sur les processus biochimiques naturels en initiant et maintenant la formation osseuse pendant la réponse cicatricielle. Les cellules du site receveur vont proliférer sur la trame collagénique du greffon (ostéogénèse) et provoquer un remodelage osseux qui aboutit à la formation d’un nouvel os.

Une partie du greffon va disparaître après avoir servi de guide (ostéoconducteur) tandis que l’autre partie va se comporter en ostéo-inducteur.

Le greffon, quand il est replacé dans un lit receveur suffisamment vascularisé pour apporter les nutriments et l’oxygène nécessaires à la survie des cellules, va être colonisé par les capillaires du site receveur.

A l’intérieur du greffon, PDGF et TGF-alpha, libérés des plaquettes enchassées dans le caillot sanguin, initient une néovascularisation et stimulent la prolifération des cellules ostéocompétentes du greffon.

Après 3 jours, les capillaires perilésionels échafaudent un treillis vasculaire qui pénètre dans le greffon.

Les cellules souches et les ostéoblastes du greffon, sous l’action de PDGF et TGF-alpha, prolifèrent et synthétisent une nouvelle matrice osseuse. PDGF stimule la mitose des cellules souches de la moelle osseuse et des ostéoblastes endostées et induit leur prolifération.

TGF-alphainitie la prolifération et la différenciation des préostéoblastes en ostéoblastes matures mais aussi des fibroblastes.

Les ostéoblastes vont synthétiser la matrice osseuse et les fibroblastes, la matrice collagène.

Les macrophages sont attirés vers le greffon, par l’action de PDGF et par une différence de gradient chimique entre le greffon et les tissus environnants, et jouent un rôle de régulateur de la phase inflammatoire en libérant des facteurs de croissance.

Comme l’activité de PDGF diminue, il est remplacé par MDGF (macrophage-derived growth factor) et les facteurs de croissance angiogéniques qui sont aussi libérés par les plaquettes.

Aux environs de la 2ème semaine, les capillaires ont envahi le greffon et les ostéoblastes produisent, par mode autocrine, TGF-alpha qui entretient le processus de cicatrisation et participe à la formation d’un nouvel os immature qui sera remodelé et remplacé par de l’os lamellaire.

7. Origines cellulaires des facteurs de croissance et des cytokines intervenant sur la réparation osseuse

Seul un petit nombre de facteurs de croissance et de cytokines intervient sur le processus de régénération osseuse. Leurs sources cellulaires varient et leurs actions sur les cellules cibles sont différentes selon qu’ils agissent individuellement ou en interactions avec d’autres facteurs de croissance.

Les plus importants sont : TGF-alpha, BMP’s, PDGF, IGF’s, FGF’s, EGF, TNF-alpha, IL-1’s.

8. Hématopoïèse et facteurs de croissance plaquettaires

L’hématopoïèse est caractérisée par des étapes séquentielles de différenciation définies par des modifications phénotypiques avec expression de molécules membranaires et de propriétés fonctionnelles particulières à certains stades de maturation.

A l’état normal, l’hématopoïèse est entretenue par les cytokines et les facteurs de croissance au sein du microenvironnement médullaire par les cellules stromales.

Les cellules matures dérivent de cellules souches hématopoïétiques pluripotentes localisée dans le foie pendant la vie ftale puis dans la moelle osseuse et capable d’autorenouvellement conduisant, par mitose, à une autre souche pluripotente et, d’autre part, à une cellule qui va s’engager dans l’une des lignées érythrocytaires, mégacaryocytaire (plaquettes sanguines), granulocytaire ou lymphoïde.

La durée de vie des plaquettes sanguines (thrombocytes) est de 8 à 12 jours.

Ce sont des fragments de cytoplasmes de 2 à 5 µm de diamètre contenant entre autres des granules denses (4 à 6 par plaquettes) et des granules alpha plus nombreuses .

Elles dérivent des mégacaryocytes, interviennent dans l’hémostase mais aussi dans les réactions inflammatoires et anti-infectieuses 8. A l’état normal, leur nombre varie entre 150 000 à 400 000 par mm3 de sang.

L’activation des plaquettes sanguines engendre une libération du contenu des granules denses et des granules alpha dans le site cicatriciel.

Les plaquettes peuvent être considérées comme une source exogène de facteurs de croissance qui est complémentaire de la source endogène accumulée pendant l’ostéogénèse par les différentes cellules ostéocompétentes.

Lorsque les thrombocytes sont activés, la libération des granules alpha permet le relargage des facteurs de croissance plaquettaires dans le site.

Ces facteurs de croissance plaquettaires sont : PDGF, TGF-alpha, IGF-I, IGF-II, PD-EGF, EGF.

9. Action des facteurs de croissance plaquettaires en implantologie orale

9.1 PDGF (Platelet-derived growth factor)

9.1.1 Structure moléculaire

C’est une glycoprotéine de poids moléculaire de 30 kDa qui existe sous 3 isoformes donnant 2 homodimères (PDGF-aa et PDGF-bb) et un hétérodimère (PDGF-ab).

Les ostéoblastes et les cellules d’ostéosarcomes expriment les gènes codant les PDGF a et b et par voie de conséquence ont la potentialité de synthétiser toutes les isoformes de PDGF38. PDGF-aa est sécrété par les cellules de la lignée ostéoblastique alors que PDGF-bb et PDGF-ab sont libéré des granules alpha après dégranulations des thrombocytes activés.

9.1.2 Action de PDGF

PDGF joue un rôle important dans le développement des différents tissus et organes dans la croissance embryonnaire et intervient sur l’induction mésodermique et les interactions épithélio-mésenchymateuses durant
l’organogénèse.

Les récepteurs membranaires au PDGF sont localisés dans les cellules souches mésenchymateuses de l’embryon alors que leurs ligands sont produits par les cellules épithéliales et endothéliales.

PDGF intervient aussi par voie autocrine.

PDGF stimule les cellules cibles en se fixant sur les récepteurs membranaires de type tyrosine-kinase, entraînant une cascade d’évènements qui conduit à une stimulation de la prolifération par accélération du cycle cellulaire et par induction des cellules au repos vers la portion proliférative du cycle cellulaire.

C’est un facteur de compétence.

PDGF possède un effet mitogène qui est neutralisé par TGF alpha1 qui intervient par inhibition de la phosphorylation des facteurs transrégulateurs en bloquant partiellement le récepteur.

PDGF possède un effet chimiotactique sur les cellules souches mésenchymateuses, mais aussi sur les ostéoblastes et sur les fibroblastes.

9.1.3 Etude in vitro

Le PDGF stimule essentiellement la réplication des cellules osseuses.

Le PDGF-bb stimule la prolifération des chondrocytes, mais inhibe l’ossification endochondrale.

Sur des ostéoblastes en culture, PDGF-aa et PDGF-bb induisent la production de PDGF -aa par voie autocrine.

PDGF accroît la production d’osteopontine mais diminue la production d’ostéocalcine, des sialoprotéines osseuses dans les cellules osseuses et réduit l’activité de la phosphatase alcaline et de la minéralisation.

Le PDGF-bb stimule la résorption osseuse en augmentant le nombre d’ostéoclastes.

Il induit également l’expression de la MMP par l’ostéoblaste.

PDGF contribue au recrutement des cellules osseuses durant le remodelage et la réparation osseuse lorsqu’il est présent dans la matrice osseuse et qu’il est libéré pendant la dégradation de cette matrice.

9.1.3 Etude in vivo

Sur le modèle animal, une simple application de PDGF sur des lésions parodontales du singe augmente la hauteur dos alvéolaire et chez le chien beagle,

PDGF en combinaison avec une membrane permet d’obtenir une augmentation d’os et de ligament parodontal.

PDGF combiné à IGF-I induit, à certaines doses, un accroissement osseux après un traitement parodontal et une augmentation de la formation d’os péri-implantaire au niveau crestal de manière significative avec une membrane ePTFE.

Une autre étude sur le chien a montré un gain d’os au niveau apical de l’implant sans membrane.

9.2 TGF-bèta (Transforming growth factor -alpha)

La super famille du TGF-bèta comporte plus de 30 protéines parmi lesquelles l’activine, l’inhibine et les BMP’s.

Elle fut identifiée grâce à sa capacité à produire une transformation phénotypique des fibroblastes du rat.

Chez les vertébrés, l’os est la source majeure de TGF-bèta.

9.2.1 Structure moléculaire

TGF-bèta est une glycoprotéine homodimèrique, qui existe sous cinq isoformes de poids moléculaire de 25 kDa à 30 kDa, unit par un pont disulfure et que l’on retrouve dans les plaquettes, les macrophages et d’autres types de cellules.

TGF-bèta existerait à l’état latent sous forme d’un précurseur biologique
inactif.

Les isoformes de TGF bèta sont exprimés dans les cellules osseuses.

TGF-bèta et IGF sont les facteurs de croissance les plus abondants au niveau osseux.

Contrairement aux récepteurs de EGF, PDGF et FGF, les récepteurs TGF-bèta possèdent des récepteurs de type serine/thréonine kinase.

Plusieurs types de liaisons ont été détectés à la surface des cellules cibles.

Dans les plaquettes, on les retrouve sous la forme de TGF-bèta 1 et TGF-bèta 2 qui paraissent devoir être les plus actifs dans le processus de réparation des tissus conjonctifs et la régénération osseuse.

9.2.2 Action de TGF-bèta

Il possède une action paracrine principalement sur les fibroblastes, les cellules souches et les préostéoblastes lorsqu’il est libéré par les plaquettes ou sécrété par les macrophages.

Mais ces cellules peuvent aussi sécréter des facteurs de croissance qui agissent alors par effet paracrine ou autocrine.

TGF-bèta régule la différenciation et le fonctionnement de nombreux types cellulaires dont la stimulation des cellules souches mésenchymateuses.

Il inhibe la prolifération des cellules d’origine ectodermique.

Le tissu osseux et les plaquettes contiennent 100 fois plus de TGF-bèta que les autres tissus et les ostéoblastes possèdent le plus grand nombre de récepteurs au TGF-bèta.

TGF-bèta semble intervenir dans les dernières phases du développement embryonnaire et est impliqué dans la prolifération et la différenciation des chondrocytes, des ostéoblastes et des ostéoclastes.

TGF-bèta 1 et TGF-bèta 2 sont sécrétés par les ostéoblastes dans la matrice osseuse.

TGF-bèta 1 est huit fois plus abondant que TGF-bèta 2.

TGF-bèta bloquerait les stades de la différenciation tardive de l’ostéoblaste et diminuerait la différenciation ostéoclastique.

9.2.3 Etude in vitro

TGF-bèta possède un effet pleïotropique sur la synthèse d’ADN selon sa concentration et la densité cellulaire.

Il accroît la prolifération cellulaire des ostéoblastes.

Il possède un effet chimiotactique sur les ostéoblastes et leurs précurseurs.

Par contre, il intervient sur l’expression phénotypique et la synthèse de collagène (excepté le collagène de type 2).

La stimulation de TGF diminue l’activité de la phosphatase alcaline et la minéralisation de la matrice osseuse.

A haute concentration, la synthèse d’ADN est continuellement augmentée dans certaines cultures et supprimée dans d’autres en fonction de la densité cellulaire.

9.2.4 Etude in vivo

Sur le modèle animal, l’injection de TGF-bèta a montré une augmentation de la formation osseuse chez le rat et la souris. TGF-bèta augmente la synthèse de la matrice osseuse mais pas la prolifération des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse chez l’homme, et ni celles dérivées des précurseurs des cellules osseuses chez le rat.

Ces effets sont potentialisés par PDGF et IGF.

TGF-bèta est un inhibiteur des cellules épithéliales, endothéliales, hématopoïétiques et des lymphocytes.

L’augmentation de la régénération osseuse par TGF-bèta paraît être dépendante de la présence des cellules engagées dans la voie ostéoblastique.

TGF-bèta 1 semble jouer un rôle plus important dans l’incorporation des greffes osseuses que TGF-bèta 2 et TGF-bèta 3.

TGF-bèta appliqué dans le même temps que la pose d’un implant dentaire augmente l’ostéointégration .

10.3 IGF’s (insuline-like growth factors)

IGF’s sont des facteurs de croissance dont les gènes, les structures tridimensionnelles et les modes d’action sont proches de l’Insuline.

IGF -I et IGF-II sont décelables dans les tissus ftaux dès le 4ème mois de gestation.

10.3.1 Structure moléculaire

Bien qu’ayant des structures moléculaires biologiques similaires, les IGF’s existent sous deux isoformes : IGF-I et IGF-II composés respectivement de polypeptides de 70 et 67 acides aminés.

IGF-I est 10 à 20 fois moins abondant que IGF -II dans la matrice osseuse, mais IGF -I est 4 à 7 fois plus puissant que IGF -II.

IGF-I possède un poids moléculaire de 7,6 kDa et IGF -II de 7,4 kDa.

IGF-I possède un récepteur de type tyrosine kinase qui a une affinité 2 à 50 fois moins élevée pour IGF-II que pour IGF -I et 100 à 500 fois moins pour l’insuline.

10.3.2 Action des IGF’s

IGF-I et IGF-II stimulent la prolifération des ostéoblastes qui va augmenter le nombre de cellules capables de synthétiser la matrice osseuse et d’accroître la masse osseuse en augmentant la production de collagène.

Contrairement aux autres facteurs de croissance, IGF’s interviennent sur le métabolisme et la croissance en agissant sur de nombreuses cellules et types de tissus.

IGF’s ont une action endocrine mais aussi paracrine ou autocrine.

La production des IGF’s semble dépendre de PTH et de l’hormone de croissance (GH).

IGF’s régulent la croissance et la différenciation des pré-chondroblastes dans la croissance endochondrale et la croissance des tissus somatiques.
IGF-I non seulement stimule la prolifération des précurseurs des ostéoblastes mais augmente également la formation de la matrice par les ostéoblastes matures.

Il accroît aussi la synthèse de collagène de type I et des protéines non collagèniques.

De plus, IGF -I inhibe la dégradation de collagène via l’inhibition de l’expression de la collagènase par les ostéoblastes.

La synthèse d’IGF -I est la plus forte au niveau des ostéoblastes impliqués de façon active dans le remodelage osseux ou lors de la réparation de fracture.

Les effets anaboliques de la PTH s’expliquent par la stimulation de la production d’IGF -I.

Les glucocorticoïdes diminuent la synthèse d’IGF-I.

La biodisponibilté de IGF-I au niveau osseux est déterminé par l’action des IGFBP’s (insuline-like growth factors binding proteins).

L’IGFBP2 inhibe l’action des IGF-I sur la réplication et la synthèse de la matrice osseuse.

Le stade de la différenciation de l’ostéoblaste est un déterminant majeur de la sécrétion des IGFBP’s. L’IGFBP2 et l’IGFBP5 ont une sécrétion maximale avec prolifération des pré-ostéoblastes alors que l’IGFBP3, l’IGFBP4 et l’IGFBP6 interviennent sur les ostéoblastes matures.

10.3.3 Etude in vitro

IGF’s ont été identifiés comme un puissant mitogène pour différents types cellulaires lorsqu’ils agissent avec PDGF et EGF.

IGF-I a un effet chimiotactique sur les ostéoblastes en culture quelle que soit la dose alors que IGF-II n’agit qu’à de faibles concentrations.

IGF-I interviendrait sur la différenciation en augmentant l’expression des
sialoprotéines osseuses et des ostéopontines.

10.3.4 Etude in vivo

IGF-I est régulé par la réponse du tissu inflammatoire durant la réparation d’une fracture. IL-1 accroît la production des IGF’s.

En implantologie, l’association d’IGF -I, de TGF-bèta et de BMPs augmente la formation osseuse autour des implants.

La combinaison de IGF-I/PDGF- bb et IGF-I/PDGF montre une augmentation osseuse autour des implants et un accroissement de la moyenne de contact osseux des implants placés dans les alvéoles déshabitées.

IGF-I et PDGF utilisés avec une membrane non résorbable (ePTFE) dans les régénérations osseuses guidées dans des sites récents d’extraction ont montré une élévation du contact os-implant.

10.4 PD-ECGF (platelet-derived endothelial cell growth factor)

De découverte récente, PD-ECGF fut cloné pour la première fois par Hagiwara en 1991.

10.4.1 Structure moléculaire

PD-ECGF est une glycoprotéine d’un poids moléculaire 45 kDa et possède une unique chaîne de polypeptides.

10.4.2 Action de PD-ECGF

PD-ECGF est un facteur de croissance stocké dans les granules des plaquettes et n’intervient que sur les cellules endothéliales.

10.4.3 Etude in vitro

Il stimule la croissance des cellules endothéliales.

10.4.4 Etude in vivo

C’est un facteur essentiel de l’angiogénèse.

10.5 EGF (epidermal growth factor)

Il fut décrit pour la première fois en 1962 par Cohen. Il est synthétisé par les glandes salivaires sous maxillaires, les plaquettes et les macrophages.

10.5.1 Structure moléculaire

EGF est un polypeptide d’un poids moléculaire de 6 kDa. Il partage le même récepteur que TGF-bèta.

10.5.2 Action de EGF

EGF est libéré par les granules lors de la dégranulation des thrombocytes activés.

10.5.3 Etude in vitro

EGF est un facteur mitogène pour les cellules en culture d’origine ectodermique et mésodermique. Il a peu d’effet sur les ostéoblastes en culture.

10.5.4 Etude in vivo

Il intervient sur la différenciation en induisant le développement des cellules épithéliales et en favorisant l’angiogénèse.

Il présente une action au niveau de l’embryogénèse (fusion des lames palatines), du système pileux, sur les glandes mammaires.

Il accélère la kératinisation, la prolifération épidermique, la cicatrisation des plaies.

EGF a une action directe sur les tissus dentaires.

11. Action des autres facteurs de croissance intervenant sur la régénération osseuse.

11.1 BMP’s (bone morphogenetic proteins)

Urist, en 1965, découvrit que l’implantation intra-musculaire d’os de tibia de chien décalcifié à l’acide chloridrique pouvait induire une néoformation osseuse1 et proposa de nommer cette protéine inductrice bone morphogénétic protéin (BMP).

11.1.1 Structure

Ce sont des homodimères d’environ 16 à 18 kDa.

Les récepteurs des BMP’S sont du type serine threonine kinase.

Il existe environ 20 BMP’s. BMP2 à BMP9 appartiennent à la superfamille des TGF-bèta’s.

BMP2, 3, 4 sont considérées comme ostéogéniques.

Le tissu osseux contiendrait 1 µg/g de BMP’s.

11.1.2 Action des BMP’s

Les BMP’s sont impliquées dans l’induction mésodermique qui va stimuler la différenciation des cellules souches mésenchymateuses en chondroblastes et en ostéoblastes.

Durant la réponse cicatricielle, la sécrétion des BMP’s s’exprime durant les premières phases de la cicatrisation et stimule la différenciation des cellules souches mésenchymateuses qui vont participer au processus de cicatrisation.

BMP7 est synthétisé dans les reins pendant la croissance et intervient dans la différenciation cellulaire.

Pour exprimer au maximum ses capacités ostéoinductrices, les rh-BMP’s ont besoin d’une matrice fonctionnelle comme la matrice collagène, une matrice
osseuse déminéralisée ou des matrices synthétiques à base de polysaccharides.

La matrice de soutien a pour but d’immobiliser la protéine inductrice à un endroit précis suffisamment longtemps pour permettre à l’induction de produire son effet.

11.1.3 Action in vitro

L’injection de BMP’s à des cellules mésenchymateuses humaines produisent une augmentation de la matrice osseuse, des phosphatases alcalines et du collagène de type I.

Les BMP’s n’augmentent pas la prolifération cellulaire de ces cellules ; ils ne sont donc ne sont pas mitogènes.

Ils agissent comme inducteur en stimulant la différenciation des cellules souches mésenchymateuses vers le phénotype ostéoblastique.

Ceux-ci possèdent des effets chimiotactiques sur les ostéoblastes humains et les cellules ostéoprogénitrices de la moelle osseuse humaines.

Ces facteurs de croissance semblent jouer un rôle primordial dans la mise en route et le déroulement de l’ostéogénèse par des effets séquentiels et combinés sur le recrutement, la prolifération et la différenciation des cellules ostéogéniques.

11.1.4 Action in vivo

Les BMP’s possèdent des effets chimiotactiques sur les ostéoblastes humains et sur les cellules ostéoprogénitrices de la moelle osseuse humaine.

Pour induire la différenciation ostéogénique, il est nécessaire in vivo d’obtenir 300
µg/g.

L’étude sur la souris a montré l’expression de BMP2 dans les condensations mésenchymateuses qui donneront naissance aux côtes, vertèbres et bourgeons dentaires.

La BMP3, chez les primates adultes, initie l’ostéogénèse.

La BMP-4 stimule la prolifération, l’expression de la phosphatase alcaline et du collagène dans des cultures primaires ostéoblastiques de calvaria de rats.

BMP5 marque la condensation mésenchymateuse du sternum1 chez le singe.

La BMP6 est exprimé préférentiellement dans les chondrocytes hypertrophyques et la BMP7 dans les membres au cours du développement (cellules mésenchymateuses localisés entre les doigts en développement) et les zones de chondrogénèse.

En chirurgie implantaire, la vitesse d’ostéointégration des implants est augmentée quand on utilise les BMP’s à l’aide d’une matrice porteuse.

L’application de BMP7 avec un os d’origine bovin dans des élévations de sinus en même temps que la pose d’implants a montré un accroissement de la formation osseuse et une augmentation de la vitesse d’ostéointégration des implants par rapport à l’utilisation d’un substitut osseux seul.

Une autre étude pilote avec du BMP-7 conduit dans des élévations de sinus n’a pas été concluante.

Une néoformation osseuse peut-être induite autour d’implants posés dans des sites récents d’extraction lorsqu’on utilise la BMP-7.

L’utilisation d’éponge collagène absorbable chargé en RhBMP-2 (0,43ng/ml) dans des sites d’extraction ou des sites qui requiert des augmentations de crêtes alvéolaires chez l’homme, a montré une qualité d’os, à 3 ans, identique à l’os naturel.

De plus, les implants placés dans ces sites traités sont stables et ne présentent pas de complications.

Un os néoformé induit par RhBMP-2 dans lequel on aurait placé des implants présenterait les mêmes qualités fonctionnelles au niveau des forces masticatoires que l’os naturel.

Le nombre d’études en implantologie orale dans lesquels les BMP’s ont été utilisés semble encore insuffisant pour établir un protocole définitif d’utilisation concernant l’accroissement d’os néoformé avant l’implantation ou pour augmenter l’ostéointégration des implants.

11.2 FGF’s (fibroblast growth factors)

La famille des fibroblast growth factors est composée de plus d’une vingtaine de membres. Les plus connus sont FGF -1, aussi appelé a-FGF (a pour acide) et FGF-2, b-FGF (b pour basique).

11.2.1 Structure

Les facteurs de croissance a-FGF et b-FGF sont des polypeptides de poids moléculaires compris entre 15 à 18 kDa.

Ils agissent à travers des récepteurs à activité tyrosine kinase.

FGF-1 est dérivé de l’endothélial cell growth factor (ECGF) par un processus post-translationnel et provient des cellules endothéliales alors que FGF -2 est
sécrétée par les ostéoblastes.

FGF-2 paraît avoir une action plus puissante que FGF -1.

On connaît 4 isoformes de récepteurs pour le FGF-2 appelés FGFR1, FGFR2, FGFR3, FGFR4.

Une mutation activatrice de FGFR3 est connue pour entraîner une dysplasie squelettique (maladie de Crouzon).

11.2.2 Action des FGF’s

FGF-1 possède une action angiogénique en stimulant la migration et la prolifération des cellules endothéliales durant la cicatrisation, protégeant ainsi la néo-vascularisation d’une thrombogénèse.

FGF -2 possède un large spectre en ayant une action mitogènique, et angiogénique.

FGF-2 est impliqué dans une multitude de processus physiologiques et pathologiques comme le développement des membres, l’angiogénèse, la cicatrisation et l'accroissement des tumeurs.

11.2.3 Action in vitro

On note dans les cultures de cellules stromales de la moelle osseuse de souris, présentant une déficience de FGF-2, une importante diminution de la minéralisation.

11.2.4 Action in vivo

L’absence du gène porteur de FGF-2, chez la souris, diminue le volume d’os trabéculaire, l’apposition des éléments minéraux de la matrice extra -cellulaire et le taux de formation osseuse.

Ce qui démontre que celui-ci est essentiel quant à la formation osseuse et sa densité146.

Des études réalisées sur les singes, ont montré que le FGF -2 accélère la cicatrisation des fractures et améliore les propriétés mécaniques de la consolidation.

Ce qui permet de déduire que le FGF-2 est un puissant facteur de cicatrisation osseuse qui peut être utilisé en clinique.

L’administration continue de FGF -2, chez le rat, entraîne une augmentation de la prolifération des ostéoblastes et une néo-formation osseuse.

12. Action des cytokines sur la cicatrisation osseuse

Certaines cytokines interviennent comme régulateurs de la cicatrisation osseuse. Ils sont divisés en 3 groupes et agissent sur les cellules osseuses.

12.1 Les interleukines

Les interleukines sont des cytokines spécifiques produites entre autres par les macrophages activés et les fibroblastes.

Parmi celles-ci, l’IL1 est une des plus importantes concernant le remaniement osseux. Il existe deux IL-1 distinctes, IL-1alpha et IL-1bèta, d’un poids moléculaire de 17 kDa150.

La production de ces protéines par différents types de cellules ne survient qu’en réponse à une stimulation cellulaire.

L’Interleukine 1 est un puissant stimulateur de la résorption osseuse par action sur les ostéoclastes et semble impliquer dans la pathologie de l’ostéoporose.

Sa principale fonction est d’accroître l’activation des cellules de l’immunité (lymphocytes T) en réponse aux antigènes.

L’IL-1 induit aussi l’expression de l’interferon alpha (INF-alpha) par les lymphocytes.

Il agit en synergie avec TNF-alpha qui est une autre cytokine sécrétée par les macrophages activés pour stimuler l’activation des cellules-T.

L’IL-6, à doses élevées, joue un rôle régulateur des précurseurs ostéoclastiques en stimulant leur différenciation.

12.2 Tumor necrosis factor-alpha

Le TNF-alpha est produit par les macrophages activés en réponse à une agression, mais aussi par les monocytes. Son poids moléculaire est 17 kDa.

Il stimule la résorption osseuse, en inhibant l’activité ostéoblastique, en synergie avec IL-1.

C’est un puissant agent chimiotactique qui module la synthèse de collagène, des collagènases et des prostaglandines.

12.3 Macrophage-Colony stimulating factor-1 (ou M-CSF-1)

Le Macrophage-colony stimulating factor-1 est une cytokine qui stimule la prolifération de cellules souches pluripotentes spécifiques de la moelle osseuse chez l’adulte.

Le M-CSF-1 intervient en inhibant l’activité ostéoclastique, induisant, de ce fait, une inexorable ostéopétrose.

12.4 Prostaglandines

Les Prostaglandines, et particulièrement ceux de la série E, semblent jouer un rôle dans la régénération osseuse. Ils ont des effets sur la résorption osseuse in vitro et sur le modelage et le remodelage osseux in vivo.

L’administration de PGE1 induit la formation d’os périosté et intervient sur les tissus mous au niveau du site cicatriciel des fractures.

PGE2 augmente la vitesse du remodelage osseux en stimulant la formation et la résorption.

13. Association de facteurs de croissance

Les facteurs de croissance osseux et les cytokines interviennent rarement seuls sur la prolifération des ostéoblastes mais plutôt en association avec d’autres facteurs de croissance.

De nombreuses études ont montré que les associations de facteurs de croissance pouvaient stimuler la régénération osseuse.

De nombreuses combinaisons ont été essayées aussi bien in vivo qu’in vitro.

Les résultats sont variables et dépendent des facteurs de croissance associés et de la matrice utilisée.

En implantologie orale, les études réalisées ont montré des résultats intéressants, mais encore limités.

14. Conclusions

L’os a longtemps été considéré comme un « tissu inerte et fossilisé ». Mais ces dernières années, les connaissances sur la biologie cellulaire du tissu osseux et la découverte de protéines morphogénétiques ostéoinductrices ont permis d’ouvrir des nouveaux champs d’investigation.

La capacité des facteurs de croissance plaquettaires à recruter des cellules ostéoprogénitrices qui vont s’engager vers la voie ostéoblastique en intervenant dès les premières phases de la réparation est une de ces voies qui a permis d’appréhender de nouvelles techniques en implantologie orale.

De plus, l’émergence de la thérapie génique devrait bientôt permettre de résoudre les problèmes auxquels nous sommes confrontés.

Les résultats sont encore insuffisants mais prometteurs et permettent d’espérer, dans les prochaines années, la possibilité de combler les défauts osseux et pouvoir améliorer l’ostéointégration des implants.