Il y a environ 500 millions d’années, les premiers vertébrés des mers sont devenus des poissons, adoptant un squelette interne et une colonne vertébrale flexible basée sur un nanocomposite de fibres et de minéraux, connu sous le nom de matériau osseux. Cette « invention » de l’évolution a connu un tel succès que la structure de base a également été adoptée pour les vertébrés ultérieurs qui vivaient sur terre.
Cependant, alors que les os de tous les vertébrés terrestres sont essentiellement dotés de cellules osseuses (ostéocytes), certaines espèces de poissons ont continué à évoluer et sont finalement parvenues à créer un matériau plus économe en énergie : les os dépourvus de cellules osseuses, que l’on trouve aujourd’hui par exemple chez les poissons comme le saumon. , medaka ou tilapia.
Échantillons avec et sans cellules osseuses
« Nous nous sommes demandé en quoi les échantillons d’os avec et sans cellules osseuses différaient réellement dans leurs microstructures et leurs propriétés », explique le professeur Paul Zaslansky, qui dirige un groupe de recherche à la Charité Berlin et se spécialise dans les biomatériaux minéralisés, y compris les dents et les os.
En collaboration avec Ph.D. Étudiante Andreia Silvera et partenaires internationaux, ils ont maintenant comparé des échantillons d’os de poisson zèbre et de médaka. Les deux espèces de poissons sont de taille similaire et vivent dans des conditions similaires, de sorte que leurs squelettes doivent résister à des contraintes similaires. Cependant, alors que le poisson zèbre a des cellules osseuses, le squelette du medaka n’en a pas.
« Le contexte de la question est que la fonction des cellules osseuses dans les os et la façon dont elles changent avec l’âge sont d’un grand intérêt pour la population vieillissante », explique Silvera. Les cellules osseuses peuvent répondre au stress physique en envoyant des signaux biochimiques qui conduisent à la formation ou à la résorption du tissu osseux, en s’adaptant à la charge. Mais avec l’âge ou dans des maladies comme l’ostéoporose, ce mécanisme ne semble plus fonctionner.
« Avec notre recherche fondamentale, nous voulons découvrir comment les os avec et sans cellules osseuses diffèrent et faire face aux défis du stress externe », explique Zaslansky.
Force et élasticité
Les os ont une structure complexe : ils sont constitués de nanofibres de collagène et de nanoparticules de minéraux mais aussi d’autres ingrédients mineurs. Certains composés protéiques, appelés protéoglycanes (PG), sont intégrés dans un tissu de fibres de collagène et de nanocristaux et jouent un rôle important dans la formation et l’entretien des tissus.
« Les PG peuvent être comparés au sel dans la soupe. Trop peu ou trop n’est pas bon », dit Zaslansky. Les PG peuvent retenir l’eau, et il y a beaucoup de PG dans le cartilage sain, ce qui le rend aussi élastique qu’une éponge. Ensemble, ces composants forment une matrice extracellulaire (ECM), une structure 3D qui fournit résistance et élasticité, assurant une fonction pendant de nombreuses années.
Dans les os, un réseau ouvert (Lacunar Channel Network ou LCN) de canaux et de pores de diamètres allant de quelques centaines de nanomètres à des micromètres se crée dans cette structure 3D. Ce LCN héberge les ostéocytes osseux, des cellules qui détectent la charge et orchestrent le remodelage osseux. Dans le LCN et au sein du nanocomposite, l’os contient jusqu’à 20% de son volume en eau, avec de nombreuses fonctions dont la ténacité et l’adaptation aux contraintes mécaniques.
Tomographie neutronique au BER II
Pour déterminer la quantité d’eau incorporée, les chercheurs ont d’abord immergé des échantillons d’os dans l’eau et les ont transilluminés avec des neutrons, fournis par le réacteur expérimental de Berlin BER II à HZB, suivis d’une saturation en eau lourde deutérée (D2O). Des données 3D ont été à nouveau collectées et la différence entre les deux états osseux a permis à l’équipe de déterminer pour chaque vertèbre vertébrale la quantité précise d’eau déplacée par diffusion du D2O.
« De plus, nous avons examiné des coupes d’échantillons d’os, les avons analysés par microscopie électronique et micro CT et nous avons également déterminé la concentration de PG avec la spectroscopie Raman », explique Silvera.
Des résultats surprenants : les PG font la différence
Jusqu’à présent, on supposait que les deux types d’os contenaient des quantités similaires d’eau et avaient une composition et des propriétés très similaires. En fait, cependant, l’examen aux neutrons a montré que le matériau osseux du poisson zèbre libère deux fois moins d’eau que celui du medaka. Ceci est d’autant plus surprenant que ces os ont une microstructure très similaire de fibres de collagène minéralisées, mais le poisson zèbre contient également de grands espaces cellulaires au sein du LCN.
« Ma première réaction a été : ‘Ça doit être faux !’ Nous avons donc tout vérifié à fond et réalisé que c’était vraiment révolutionnaire », se souvient Zaslansky. La seule explication de la différence est que les matrices osseuses des deux espèces diffèrent par un composant de composition fondamental qui affecte la perméabilité à l’eau. Et ici, les études histologiques et la spectroscopie Raman montrent : c’est la petite mais importante contribution des PG. Les échantillons de medaka contiennent beaucoup moins de PG que les échantillons de poisson zèbre.
« Il s’agit d’une nouvelle découverte : bien que les deux poissons fassent face à des contraintes similaires, leurs matériaux osseux n’ont pas les mêmes propriétés de perméabilité à l’eau », explique Silveira.
L’étude est publiée dans la revue Matériaux et conception.
« Nous espérons que ces résultats nous aideront également à mieux comprendre les maladies osseuses », déclare Zaslansky. Pourquoi certains os réagissent-ils mieux au stress que d’autres ? Que se passe-t-il lorsque les os vieillissent ? Se pourrait-il qu’ils perdent des PG et deviennent moins étanches ? Peut-être que le vieillissement ou une pathologie telle que l’ostéoporose modifie l’os qui entoure les cellules osseuses, ce qui rend difficile le remodelage et la formation d’un tissu osseux qui fonctionne correctement ?
Plus d’information:
Andreia Silveira et al, Flux d’eau à travers l’os : la tomographie par neutrons révèle des différences de perméabilité à l’eau entre le matériau osseux ostéocytaire et anostéocytaire, Matériaux et conception (2022). DOI : 10.1016/j.matdes.2022.111275