Facteurs de croissance plaquettaires en implantologie orale : mythes ou réalités ?

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, ont permis d'ouvrir un nouveau champ d'application en chirurgie implantaire. De plus, l'action de protéines potentiellement inductrices, dénommées protéines morphogéniques osseuses (BMP's pour bone morphogenetic proteins) [¹], 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 [², ³] ont permis des progrès cliniques décisifs. En effet, la BMP-2 et la BMP-7 sont connues pour leur pouvoir ostéo-inducteur et la Rh BMP-2 (BMP-2 recombinante humaine) a été utilisée avec succès en implantologie [⁴]. Or, la BMP-2 et le TGF-β 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-β d'origine plaquettaire pour favoriser la cicatrisation osseuse lors de chirurgie préimplantaire ou de pose d'implants.

En 1994, Tayapongsak et al. [⁵] proposent de mélanger un concentré plaquettaire (autologous fibrin adhesive : AFA) à des greffes osseuses autogènes dans les reconstructions mandibulaires. Ils identifient radiologiquement une consolidation plus rapide dans 33 cas qu'ils attribuent à l'augmentation de l'ostéoconduction, cette dernière permettant à des cellules ostéocompétentes de se développer sur le treillis de fibrines apporté par l'AFA.

En 1998, Marx et al. [⁶] utilisent un concentré autologue de facteurs de croissance d'origine plaquettaire (platelet-rich plasma : PRP) et démontrent 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, Choukroun et al. [⁷] proposent un procédé de récupération de facteurs de croissance et de cytokines qui semblerait respecter les conditions médicolégales auxquelles sont soumis les utilisateurs en France.

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 elles stimulent ou inhibent 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 antitumorale et la physiologie osseuse. Elles sont produites par plusieurs types cellulaires :

- cellules du système immunitaire (lymphocytes T, lymphocytes B, macrophages, neutrophiles, mastocytes, éosinophiles, plaquettes) ;

- cellules endocrines (cellules de l'adénohypophyse, cellules placentaires, 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 ;

- pléiotropique : détermination, par un seul gène, de caractères multiples en apparence indépendants les uns des autres ;

- 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. Elles sont classées 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 (^{Fig. 1}) [⁸, ⁹].

Mécanismes d'action des facteurs de croissance

Les facteurs de croissance agissent en se fixant sur les récepteurs membranaires spécifiques (récepteurs tyrosine kinase ou sérine-thréonine kinase) des cellules cibles. Ils déclenchent, par l'intermédiaire d'une cascade de réactions, la stimulation de messagers intracellulaires 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 (^{Fig. 2}).

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. Ils 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 ligand [⁸]. 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'ADN) 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 (^{Fig. 3}) [¹¹-¹³].

Organisation du tissu osseux

L'os a une triple fonction :

- 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 ;

- fonction mécanique : il répond aux contraintes et aux déformations en remodelant le tissu osseux ;

- 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 extracellulaire 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 sont constitués de protéines non collagéniques, dont moins de 1 % de facteurs de croissance osseux, qui sont enchâssés dans la matrice osseuse pendant l'ostéogenèse et participent au maintien de l'activité cellulaire pendant le processus de cicatrisation et de formation osseuse (^{Tableau I}).

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 extracellulaires. 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 extracellulaire sécrétée au cours de la croissance du squelette, du renouvellement de la matrice osseuse chez l'adulte et de la réparation osseuse. Ils 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 facteurs locaux et systémiques (^{Fig. 4}) [¹⁴, ¹⁵].

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, libérant des BMP's 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 produira 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'entraînent 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 [¹⁶].

Ostéogenèse, ostéoinduction, ostéoconduction

Trois mécanismes interviennent dans la réparation osseuse : l'ostéogenèse, l'ostéoinduction et l'ostéoconduction [¹⁷].

L'ostéogenèse 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 [¹⁸]. Il existe 2 types d'ossification: l'ossification endochondrale (diaphyse des 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'ostéo-induction peut être obtenue soit par des cellules ostéoprogénitrices de la moelle osseuse, récoltées ou cultivées (greffon allogénique) et incorporées 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 ostéoblastique [²]. 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 néoformation osseuse. On dit de ces matériaux qu'ils sont ostéoconducteurs.

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 (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'autoréparation qui aboutit à un cal osseux [¹⁹]. Cette technique reproduit, chez l'adulte, l'ostéogenèse 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 croissance [²⁰] : PDGF (platelet-derived growth factor), TFG-β (transforming growth factor ß), IGF-I (insulin-like growth factor-I), EGF (epidermal growth factor). Ceux-ci vont stimuler l'angiogenèse et initier la différenciation des cellules souches mésenchymateuses en cellules ostéoprogénitrices qui vont s'engager vers la voie ostéoblastique [²¹-²³]. 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 telles que l'interleukine-1 (IL-1) et le TNF-α (tumor necrosis factor-α), nécessaires à la stimulation de la phase de réparation. Le TNF-α apparaît être un facteur angiogénique majeur alors que l'interleukine-1 stimule l'activité ostéoclastique et intervient sur l'apoptose [⁸]. D'autres facteurs de croissance sécrétés par les granules α des plaquettes sanguines exercent une action chimiotactique sur les cellules endothéliales des vaisseaux sanguins périlésionnels qui vont initier un processus d'angiogenèse. 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 principaux sont : VEGF's (vascular endothelial growth factors), FGF's (fibroblast growth factors), les angiopoïétines. Cette néovascularisation permet d'apporter les nutriments et l'oxygène nécessaires à la reconstitution des tissus lésés [²⁴-²⁷]. La phase de cicatrisation osseuse qui s'ensuit aboutit soit à une restitution 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 [²⁸].

Cette cicatrisation dépend aussi des échanges intercellulaires au niveau des surfaces endostées et périostées de la lésion. Les facteurs de croissance contribuent au recrutement, à la prolifération et à la différenciation des cellules osseuses en intervenant dès les premières phases de la réparation. Le TGF-β, 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 [²⁹] et de la moelle osseuse [³⁰]. Enfin, les cellules des capillaires invasifs comme les péricytes et les cellules endothéliales joueraient un rôle important dans l'origine des cellules ostéoprogénitrices [³¹].

Les surfaces endostées et périostées sont recouvertes de cellules souches mésenchymateuses, enchâssées pendant l'ostéogenèse, 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 adhèrent à la matrice osseuse. La résorption ostéoclastique terminée (certainement avec la participation des TGF-β's), les ostéoclastes disparaissent par apoptose. La matrice osseuse résorbée libère alors des facteurs de croissance potentiellement inducteurs tels que les BMP's qui induisent la différenciation des cellules souches ; d'autres tels les IGF's stimulent la prolifération de cellules ostéoprogénitrices 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 ostéoïde) 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) [²]. 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 (ostéogenèse) et provoquer un remodelage osseux qui aboutit à la formation d'un nouvel os. Une partie du greffon disparaîtra après avoir servi de guide (ostéoconducteur) ; l'autre partie se comportera en ostéoinducteur [³²]. 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. À l'intérieur du greffon, le PDGF et le TGF-β, libérés des plaquettes enchâssées dans le caillot sanguin, initient une néovascularisation et stimulent la prolifération des cellules ostéocompétentes du greffon. Après 3 jours, les capillaires périlésionnels échafaudent un treillis vasculaire qui pénètre dans le greffon. Les cellules souches et les ostéoblastes du greffon, sous l'action des PDGF et TGF-β, prolifèrent et synthétisent une nouvelle matrice osseuse. Le PDGF stimule la mitose des cellules souches de la moelle osseuse et des ostéoblastes endostés et induit leur prolifération. Le TGF-β initie 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 de collagène. Les macrophages sont attirés vers le greffon par l'action du PDGF et une différence de gradient chimique entre le greffon et les tissus environnants. Ils jouent un rôle de régulateurs de la phase inflammatoire en libérant des facteurs de croissance. Comme l'activité du PDGF diminue, il est remplacé par le MDGF (macrophage-derived growth factor) et les facteurs de croissance angiogéniques qui sont aussi libérés par les plaquettes. Aux environs de la deuxième semaine, les capillaires ont envahi le greffon et les ostéoblastes produisent, par mode autocrine, le TGF-β 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 [⁶].

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 interviennent 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 interaction avec d'autres facteurs de croissance. Les plus importants sont : TGF-β, BMP's, PDGF, IGF, FGF, EGF, TNF-α, IL-1 (^{Tableau II}).

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. À 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 localisées dans le foie pendant la vie fœtale, puis dans la moelle osseuse et capables d'autorenouvellement conduisant, par mitose, à une autre cellule souche pluripotente, d'une part, 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 cytoplasme de 2 à 5 µm de diamètre, contenant entre autres des granules denses (4 à 6 par plaquettes) et des granules α (plus nombreux). Elles dérivent des mégacaryocytes, interviennent dans l'hémostase, mais aussi dans les réactions inflammatoires et anti-infectieuses [⁸]. À l'état normal, leur nombre varie entre 3 150 000 à 400 000 par mm de sang. L'activation des plaquettes sanguines engendre une libération du contenu des granules denses et des granules α dans le site cicatriciel (^{Tableau III}). Les plaquettes peuvent être considérées comme une source exogène de facteurs de croissance qui est complémentaire de la source endogène accumulée pendant l'ostéogenèse par les différentes cellules ostéocompétentes [³³]. Lorsque les thrombocytes sont activés, la libération des granules α permet le relargage des facteurs de croissance plaquettaires dans le site. Ces facteurs de croissance plaquettaires sont : PDGF, TGF-β, IGF-I, IGF-II, PD-EGF, EGF.

Action des facteurs de croissance plaquettaires en implantologie orale

PDGF (platelet-derived growth factor)

Structure moléculaire

C'est une glycoprotéine de poids moléculaire de 30 kDa [³⁷] qui existe sous 3 isoformes donnant 2 homodimères (PDGF-aa et PDGF-bb) et un hétérodimère (PDGF-ab) [³⁸]. 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 du PDGF [³⁹]. Le PDGF-aa est sécrété par les cellules de la lignée ostéoblastique ; le PDGF-bb et le PDGF-ab sont en revanche libérés des granules α après dégranulations des thrombocytes activés [³⁸, ³⁹].

Action du PDGF

Le PDGF joue un rôle important dans le développement des différents tissus et organes dans la croissance embryonnaire. Il intervient sur l'induction mésodermique et les interactions épithélio-mésenchymateuses durant l'organogenèse [⁴⁰]. Les récepteurs membranaires au PDGF sont localisés dans les cellules souches mésenchymateuses de l'embryon ; leurs ligands sont produits par les cellules épithéliales et endothéliales [⁴¹]. Le PDGF intervient aussi par voie autocrine [⁴²].

Le PDGF stimule les cellules cibles en se fixant sur les récepteurs membranaires de type tyrosinekinase. Cela entraîne une cascade d'événements 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 [⁴³]. C'est un facteur de compétence. Le PDGF possède un effet mitogène [³⁹, ⁴³] qui est neutralisé par le TGF-β₁ qui intervient par inhibition 1 de la phosphorylation des facteurs transrégulateurs en bloquant partiellement le récepteur [⁴⁴].

Le PDGF possède un effet chimiotactique sur les cellules souches mésenchymateuses, mais aussi sur les ostéoblastes et sur les fibroblastes [⁴⁵, ⁴⁶].

Étude in vitro

Le PDGF stimule essentiellement la réplication des cellules osseuses [⁴⁷]. Le PDGF-bb stimule la prolifération des chondrocytes, mais inhibe l'ossification endochondrale [⁴⁸]. Sur des ostéoblastes en culture, le PDGF-aa et le PDGF-bb induisent la production de PDGF-aa par voie autocrine [⁴²]. Le PDGF accroît la production d'ostéopontine [⁴⁹, ⁵⁰], mais diminue la production d'ostéocalcine, des sialoprotéines osseuses dans les cellules osseuses [⁴⁹, ⁵⁰] et réduit l'activité de la phosphatase alcaline et de la minéralisation [⁵⁰, ⁵¹]. Le PDGF-bb stimule la résorption osseuse en augmentant le nombre d'ostéoclastes [⁴⁷]. Il induit également l'expression de la MMP 13 par l'ostéoblaste. Le 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 [⁵²].

Étude in vivo

Sur le modèle animal, une simple application du PDGF sur les lésions parodontales d'un singe augmente la hauteur d'os alvéolaire. Chez le chien beagle [⁵³], le PDGF en combinaison avec une membrane permet d'obtenir une augmentation d'os et de ligament parodontal [⁵⁴]. Le PDGF combiné à l'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 [⁵⁵]. Une autre étude sur le chien a montré un gain d'os au niveau apical de l'implant sans membrane [⁵⁶].

TGF-ß (transforming growth factor-ß)

La super famille du TGF-β [⁵⁷] comporte plus de 30 protéines parmi lesquelles l'activine, l'inhibine et les BMP's [⁵⁸]. Elle fut identifiée grâce à sa capacité à produire une transformation phénotypique des fibroblastes du rat [⁵⁹]. Le TGF-β est chimiquement différent du TGF-α [⁶⁰]. Chez les vertébrés, l'os est la source majeure du TGF-β.

Structure moléculaire

Le TGF-β est une glycoprotéine homodimérique qui existe sous 5 isoformes (TGF-β₁ -TGF-β₅) [⁶¹-⁶³] 1 5 de poids moléculaire de 25 à 30 kDa, uni par un pont disulfure [⁶⁴] que l'on retrouve dans les plaquettes, les macrophages et d'autres types de cellules. Le TGF-β existerait à l'état latent sous forme d'un précurseur biologique inactif [⁶⁵]. Les isoformes 1 à 3 du TGF-β sont exprimées dans les cellules osseuses. Le TGF-β et l'IGF sont les facteurs de croissance les plus abondants au niveau osseux. Contrairement aux récepteurs des EGF, PDGF et FGF, les récepteurs du TGF-β possèdent des récepteurs de type sérine/thréonine kinase [⁶⁶]. Plusieurs types de liaisons ont été détectésà la surface des cellules cibles. Dans les plaquettes, on les retrouve sous la forme des TGF-β₁ et TGF-β₂ qui paraissent devoir être les plus actifs dans le processus de réparation des tissus conjonctifs et la régénération osseuse.

Action de TGF-ß

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. Le TGF-β régule la différenciation et le fonctionnement de nombreux types cellulaires dont la stimulation des cellules souches mésenchymateuses [⁶⁷]. Il inhibe la prolifération des cellules d'origine ectodermique. Le tissu osseux et les plaquettes contiennent 100 fois plus de TGF-β que les autres tissus et les ostéoblastes possèdent le plus grand nombre de récepteurs au TGF-β [⁶⁸]. Le TGF-β 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 [⁶⁷]. Le TGF-β₁ et le TGF-β₂ sont sécrétés par les ostéoblastes dans la matrice osseuse. Le TGF-β₁ est 8 fois plus abondant que le TGF-β₂. Le TGF-β bloquerait les stades de la différenciation tardive de l'ostéoblaste et diminuerait la différenciation ostéoclastique [⁶⁹].

Étude in vitro

Le TGF-β possède un effet pléiotropique 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. En revanche, il intervient sur l'expression phénotypique et la synthèse de collagène (excepté le collagène de type 2) [⁸]. La stimulation du TGF-β diminue l'activité de la phosphatase alcaline et la minéralisation de la matrice osseuse [⁷⁰]. À haute concentration, la synthèse d'ADN est continuellement augmentée dans certaines cultures et supprimée dans d'autres en fonction de la densité cellulaire [⁶⁶].

Étude in vivo

Sur le modèle animal, l'injection du TGF-β a montré une augmentation de la formation osseuse chez le rat et la souris [², ⁷¹] (^{Fig. 5}). Le TGF-β augmente la synthèse de la matrice osseuse, mais pas la prolifération des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse chez l'homme [⁴⁴, ⁷²], ni celles dérivées des précurseurs des cellules osseuses chez le rat [⁷³]. Ces effets sont potentialisés par le PDGF [⁷⁴, ⁷⁵] et l'IGF [⁷⁵]. Le TGF-β est un inhibiteur des cellules épithéliales, endothéliales, hématopoïétiques et des lymphocytes. L'augmentation de la régénération osseuse par le TGF-β paraît être dépendante de la présence des cellules engagées dans la voie ostéoblastique [⁷⁶]. Le TGF-β₁ semble jouer un rôle plus important dans l'incorporation des greffes osseuses que le TGF-β₂ et le TGF-β₃[⁷⁷, ⁷⁸] . Le TGF-β appliqué dans le même temps que la pose d'un implant dentaire augmente l'ostéointégration [⁷⁹].

IGF's (insuline-like growth factors)

Les IGF's sont des facteurs de croissance dont les gènes, les structures tridimensionnelles et les modes d'action sont proches de l'insuline [⁵⁸]. L'IGF-I et l'IGF-II sont décelables dans les tissus fœtaux dès le 4^e mois de gestation [⁸⁰, ⁸¹].

Structure moléculaire

Bien qu'ayant des structures moléculaires biologiques similaires, les IGF's existent sous 2 isoformes: IGF-I et IGF-II, composées respectivement de polypeptides de 70 et 67 acides aminés. L'IGF-I est 10 à 20 fois moins abondant que l'IGF-II dans la matrice osseuse, mais il est 4 à 7 fois plus puissant [⁸²]. L'IGF-I possède un poids moléculaire de 7,6 kDa, l'IGF-II de 7,4 kDa. L'IGF-I possède un récepteur de type tyrosine kinase qui a une affinité 2 à 50 fois inférieure pour l'IGF-II que pour l'IGF-I et 100 à 500 fois inférieure pour l'insuline [⁸³].

Action des IGF's

L'IGF-I et l'IGF-II stimulent la prolifération des ostéoblastes, ce qui augmente le nombre de cellules capables de synthétiser la matrice osseuse [⁸⁴, ⁸⁵] et accroît la masse osseuse en augmentant la production de collagène [⁸⁶-⁸⁸]. Contrairement aux autres facteurs de croissance, les IGF's interviennent sur le métabolisme et la croissance en agissant sur de nombreuses cellules et types de tissus. Les IGF's ont une action endocrine, mais aussi paracrine ou autocrine. La production des IGF's semble dépendre de la PTH et de l'hormone de croissance (GH) [⁸⁹, ⁹⁰]. Les IGF's régulent la croissance et la différenciation des préchondroblastes dans la croissance endochondrale et des tissus somatiques [⁹¹, ⁹²]. L'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 collagéniques. De plus, l'IGF-I inhibe la dégradation de collagéne via l'inhibition de l'expression de la collagénase par les ostéoblastes [⁸⁶]. La synthèse de l'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 biodisponibilité de l'IGF-I au niveau osseux est déterminée par l'action des IGFBP's (insulin-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 différenciation de l'ostéoblaste est un déterminant majeur de la sécrétion des IGFBP's. L'IGFBP₂ et l'IGFBP₅ ont une sécrétion maximale lors de la prolifération des préostéoblastes alors que l'IGFBP₃, l'IGFBP₄ et l'IGFBP₆ sont synthétisées par les ostéoblastes matures [⁹³].

Étude in vitro

Les IGF's ont été identifiés comme de puissants mitogènes pour différents types cellulaires lorsqu'ils agissent avec le PDGF et l'EGF [⁹⁴]. L'IGF-I a un effet chimiotactique sur les ostéoblastes en culture quelle que soit la dose alors que l'IGF-II n'agit qu'à de faibles concentrations [⁹⁵]. L'IGF-I interviendrait sur la différenciation en augmentant l'expression des sialoprotéines osseuses et des ostéopontines [⁹⁶].

Étude in vivo

L'IGF-I est régulé par la réponse du tissu inflammatoire durant la réparation d'une fracture. L'IL-1 accroît la production des IGF's [⁹⁷]. En implantologie, l'association des IGF-I, TGF-β et des BMP's augmente la formation osseuse autour des implants [⁹⁸]. La combinaison des IGF-I/PDGF-bb [⁹⁸] et IGF-I/ PDGF [⁹⁹] montre une augmentation osseuse autour des implants et un accroissement de la moyenne de contacts osseux des implants placés dans les alvéoles déshabitées.

L'IGF-I et le 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 [⁵⁵].

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

De découverte récente, le PD-ECGF fut cloné pour la première fois par Hagiwara en 1991 [¹⁰⁰].

Structure moléculaire

Le PD-ECGF est une glycoprotéine d'un poids moléculaire de 45 kDa. Il possède une unique chaîne polypeptidique.

Action du PD-ECGF

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

Étude in vitro

Il stimule la croissance des cellules endothéliales.

Étude in vivo

C'est un facteur essentiel de l'angiogenèse.

EGF (epidermal growth factor)

Il fut décrit pour la première fois en 1962 par Cohen [¹⁰¹]. Il est synthétisé par les glandes salivaires sous-maxillaires [¹⁰¹], les plaquettes et les macrophages [¹⁰²].

Structure moléculaire

L'EGF est un polypeptide d'un poids moléculaire de 6 kDa. Il partage le même récepteur que le TGF-α.

Action de l'EGF

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

Étude in vitro

L'EGF est un facteur mitogène pour les cellules en culture d'origine ectodermique et mésodermique [¹⁰²]. Il a peu d'effets sur les ostéoblastes en culture.

Étude in vivo

Il intervient sur la différenciation en induisant le développement des cellules épithéliales et en favorisant l'angiogenèse. Il présente une action au niveau de l'embryogenèse (fusion des lames palatines), du système pileux et sur les glandes mammaires. Il accélère la kératinisation, la prolifération épidermique, la cicatrisation des plaies. L'EGF a une action directe sur les tissus dentaires [¹⁰³].

Action des autres facteurs de croissance intervenant sur la régénération osseuse

BMP's (bone morphogenetic proteins)

Urist et al., en 1965, découvrirent que l'implantation intramusculaire d'os de tibia de chien décalcifié à l'acide chlorydrique pouvait induire une néoformation osseuse [¹]. Ils proposèrent de nommer cette protéine inductrice : bone morphogenetic protein (BMP) [¹⁰⁴, ¹⁰⁵].

Structure

Ce sont des homodimères d'environ 16 à 18 kDa [¹⁰⁶]. Les récepteurs des BMP's sont du type sérine/thréonine kinase. Il existe environ 20 BMP's. Les BMP-2 à BMP-9 appartiennent à la superfamille des TGF-β's [¹⁰⁷]. Les BMP-2, 3, 4, 7 sont considérées comme ostéogéniques [¹⁰⁸, ¹⁰⁹]. Le tissu osseux contiendrait 1 µg/g de BMP's [¹¹⁰].

Action des BMP's

Les BMP's sont impliquées dans l'induction mésodermique qui stimule la différenciation des cellules souches mésenchymateuses en chondroblastes et en ostéoblastes [¹¹¹-¹¹³]. Durant la réponse cicatricielle, la sécrétion des BMP's s'exprime lors des premières phases de la cicatrisation et stimule la différenciation des cellules souches mésenchymateuses qui participent au processus de cicatrisation [¹¹⁴, ¹¹⁵]. La BMP-7 est synthétisée dans les reins pendant la croissance et intervient dans la différenciation cellulaire [¹¹⁶]. Pour exprimer au maximum leurs 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 [¹¹⁷, ¹¹⁸]. 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.

Action in vitro

L'injection de BMP's à des cellules mésenchymateuses humaines produit une augmentation de la matrice osseuse, des phosphatases alcalines et du collagène de type I [¹¹³]. Les BMP's n'augmentent pas la prolifération cellulaire de ces cellules ; elles ne sont donc ne sont pas mitogènes. Elles agissent comme inducteur en stimulant la différenciation des cellules souches mésenchymateuses vers le phénotype ostéoblastique. Celles-ci possèdent des effets chimiotactiques sur les ostéoblastes humains et les cellules ostéoprogénitrices de la moelle osseuse humaines [²]. Ces facteurs de croissance semblent jouer un rôle primordial dans la mise en route et le déroulement de l'ostéogenèse par des effets séquentiels et combinés sur le recrutement, la prolifération et la différenciation des cellules ostéogéniques [¹¹⁹].

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'utiliser 300 µg/g [¹²⁰]. L'étude sur la souris à 12,5 j p.c (post-coïtum) a montré l'expression de la BMP-2 dans les condensations mésenchymateuses qui donneront naissance aux côtes, vertèbres et bourgeons dentaires [¹²¹, ¹²²]. La BMP-3, chez les primates adultes, initie l'ostéogenèse [¹²³]. La BMP-4 stimule la prolifération, l'expression de la phosphatase alcaline et du collagène dans des cultures primaires ostéoblastiques de calvaria de rats [¹²⁴]. La BMP-5 marque la condensation mésenchymateuse du sternum [¹²⁵] chez le singe. La BMP-6 est exprimée préférentiellement dans les chondrocytes hypertrophiques [¹²⁶] et la BMP-7 dans les membres au cours du développement (cellules mésenchymateuses localisées entre les doigts en développement) et les zones de chondrogenèse [¹²⁷].

En chirurgie implantaire, la vitesse d'ostéointégration des implants est augmentée quand on utilise les BMP's à l'aide d'une matrice porteuse [¹²⁸]. L'application de BMP-7 avec un os d'origine bovine 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 [¹²⁹]. Une autre étude pilote avec de la BMP-7, conduite dans des élévations de sinus, n'a pas été concluante [¹³⁰]. Une néoformation osseuse peut être induite autour d'implants posés dans des sites récents d'extraction lorsqu'on utilise la BMP-7 [¹³¹]. L'utilisation d'éponges en collagène absorbable chargées en Rh BMP-2 (0,43 ng/ml) dans des sites d'extraction ou qui requièrent des augmentations de crêtes alvéolaires chez l'homme a abouti 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 [⁴]. Un os néoformé induit par la Rh BMP-2 et dans lequel on aurait placé des implants présenterait les mêmes qualités fonctionnelles au niveau des forces masticatoires que l'os naturel [¹³²].

Le nombre d'études en implantologie orale dans lesquelles les BMP's ont été utilisées semble encore insuffisant pour établir un protocole définitif d'utilisation en vue d'accroître l'os néoformé avant l'implantation ou d'augmenter l'ostéointégration des implants [¹³³].

FGF's (fibroblast growth factors)

La famille des FGF's est composée de plus d'une vingtaine de membres. Les plus connus sont FGF-1 et FGF-2, aussi appelés respectivement FGF-a (a pour acide) ou FGF-b (b pour basique).

Structure

Les facteurs de croissance FGF-a et FGF-b sont des polypeptides de poids moléculaires compris entre 15 et 18 kDa. Ils agissent à travers des récepteurs à activité tyrosine kinase [⁹, ¹³⁴]. Le FGF-1 est dérivé du ß-endothelial cell growth factor (ECGF-β) par un processus post-translationnel [¹³⁵, ¹³⁶] et provient des cellules endothéliales alors que le FGF-2 est sécrété par les ostéoblastes [¹³⁷]. Le FGF-2 paraît avoir une action plus puissante que le FGF-1 [¹³⁸-¹⁴⁰]. On connaît 4 isoformes de récepteurs pour le FGF-2, appelées FGFR-1, FGFR-2, FGFR-3, FGFR-4 [¹⁴¹]. Une mutation activatrice de FGFR-3 est connue pour entraîner une dysplasie squelettique (maladie de Crouzon) [¹⁴²].

Action des FGF's

Le FGF-1 possède une action angiogénique en stimulant la migration et la prolifération des cellules endothéliales durant la cicatrisation, protégeant ainsi la néovascularisation d'une thrombogenèse [¹⁴³]. Le FGF-2 possède un large spectre en ayant une action mitogénique, et angiogénique [¹⁴⁴]. Le FGF-2 est impliqué dans une multitude de processus physiologiques et pathologiques comme le développement des membres, l'angiogenèse, la cicatrisation et l'accroissement des tumeurs [¹⁴⁵].

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 [¹⁴⁶].

Action in vivo

L'absence du gène porteur du FGF-2, chez la souris, diminue le volume d'os trabéculaire, l'apposition des éléments minéraux de la matrice extracellulaire et le taux de formation osseuse. Ce qui démontre que celui-ci est essentiel à la formation osseuse et à sa densité [¹⁴⁷]. 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 [¹⁴⁸]. Aussi, peut-on 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 néoformation osseuse [¹⁴⁹].

Action des cytokines sur la cicatrisation osseuse

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

Interleukines

Les interleukines sont des cytokines spécifiques produites entre autres par les macrophages activés et les fibroblastes [⁸, ¹⁵⁰]. Parmi celles-ci, l'IL-1 est une des plus importantes concernant le remaniement osseux. Il existe deux IL-1 distinctes : IL-1 α et IL-1 β, d'un poids moléculaire de 17 kDa [¹⁵¹]. 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 impliquée 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 [⁸, ¹⁵²]. L'IL-1 induit aussi l'expression de l'interféron-γ (INF-γ) par les lymphocytes. Il agit en synergie avec le TNF-α 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 [⁹].

Tumor necrosis factor-α

Le TNF-α est produit par les macrophages activés en réponse à une agression, mais aussi par les monocytes. Son poids moléculaire est de 17 kDa. Il stimule la résorption osseuse, en inhibant l'activité ostéoblastique, en synergie avec l'IL-1. C'est un puissant agent chimiotactique qui module la synthèse de collagène, des collagénases et des prostaglandines [⁸, ⁹, ¹⁵³].

Macrophage-colony stimulating factor M-CSF

Le macrophage-colony stimulating factor est une cytokine qui stimule la prolifération de cellules souches pluripotentes spécifiques de la moelle osseuse chez l'adulte. Le M-CSF intervient en contrôlant la différenciation ostéoclastique [¹⁵⁴].

Prostaglandines

Les prostaglandines, et particulièrement celles de la série E, semblent jouer un rôle dans la régénération osseuse. Elles ont des effets sur la résorption osseuse in vitro et sur le modelage et le remodelage osseux in vivo [¹⁵⁵]. L'administration de PGE-1 induit la formation d'os périosté et intervient sur les tissus mous au niveau du site cicatriciel des fractures [¹⁵⁶]. La PGE-2 augmente la vitesse du remodelage osseux en stimulant la formation et la résorption [¹⁵⁷].

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 (^{Fig. 6}).

De nombreuses études ont montré que les associations de facteurs de croissance pouvaient stimuler la régénération osseuse [¹⁵⁸]. De nombreuses combinaisons ont été essayées aussi bien in vivo qu'in vitro [¹⁵⁹]. Les résultats sont variables et dépendent des facteurs de croissance associés et de la matrice utilisée [¹⁶⁰]. En implantologie orale, les études réalisées [⁹⁹, ¹⁶¹] ont montré des résultats intéressants, mais encore limités.

Conclusion

L'os a longtemps été considéré comme un « tissu inerte et fossilisé » [¹⁶²]. 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 de pouvoir améliorer l'ostéointégration des implants.

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