UE 11 : Appareil Locomoteur Pr Guimiot30/01/2020Roneotypeur : Helène LAPORTE BISQUIT Roneoficheur : Martin LEPEU

UE11 – Appareil Locomoteur

Cours 4 (Partie 1)- Embryologie du developpement : le squelette

Abréviations :

SA = semaine d’aménorrhée SD = semaine de développementZP = Zone de proliférationZAP = Zone a activit polarisante éCA= AER = crête apicale ou SD= semaine de développement FGF= Fibroblast growth factor Shh= Sonic Hedge Hog

Le professeur a accepté de relire la Ronéo, sa relecture sera postée sur le Weebly. Le cours est séparé en deux : embryologie du squelette (traitée dans ce cours) et des muscles (traitée dans le prochain cours.

Roneo 2 cours 4 UE11 1/10

Sommaire

I.  Le squelette axial

A) Introduction : les somites

B) Le rachis

C) Le crane

II. Les membres

A) Morphogenèse : morphologie, bases moléculaires

B) Histogenèse : os longs, diarthroses

Roneo 2 cours 4 UE11 2/10

Introduction : rappel sur la formation des somites, à l’origine du squelette axial et des membres

Les somites dérivent du mésoblaste embryonnaire, qui apparait au cours de la gastrulation (3e SD). La migration des cellules de l’épigastre va permettre la formation de l’entoblaste, et du mésoblaste situé entre l’entoblaste et l’ectoblaste. Ce mésoblaste va se segmenter en 3 parties

- Para axiale  (la plus médiale) : qui donnera les somites- Intermédiaire (plus vers la périphérie) : qui donnera les reins- Latérale (la plus périphérique) : qui donnera la somatopleure en regard de la cavité amniotique et la

splanchnopleure en regard de la vésicule vitelline. Le cœlome intra-embryonnaire se situe entre les 2.

Les somites vont évoluer dès la fin de la 3e semaine (J 22), et plusieurs populations cellulaires vont se différencier.Une cavité au sein des somites délimite à l’extérieur le dermo-myotome, une couche cellulaire, et à l’intérieur le sclérotome (futurs corps vertébraux et squelette axial). Puis le dermo-myotome se scinde, et la cavité disparait en parallèle de l’individualisation des cellules en dermatome (à l’origine du derme et de l’hypoderme) et en myotome (futurs muscles du thorax et des membres)

Il existe, à partir du sclérotome, 2 processus d’ossification- L’ossification endomembraneuse : les cellules mésoblastiques (= mésenchymateuses) se différencient

directement en ostéoblastes, qui produisent l’os. Ce processus concerne essentiellement les os de la voute du crâne, ainsi qu’une partie de la face et de la clavicule.

- L’ossification endochondrale, qui passe par la formation d’une maquette cartilagineuse : les cellules mésoblastiques se différencient en chondrocytes, ce qui forme le cartilage. Celui-ci s’agence de façon à définir la morphologie de l’os, qui a ainsi déjà une certaine forme. Secondairement, les chondrocytes se différencient en ostéoblastes, qui se servent de la matrice cartilagineuse ainsi formée comme guide pour l’ossification. Ces ostéoblastes se fixent sur les travées cartilagineuses et débutent l’ossification. Ce processus concerne le reste du squelette, c’est-à-dire les os de la base du crâne, le rachis et tous les os longs, dont les membres (phalanges…)

I. Squelette axial

A. Le rachis

Parmi les 3 populations de cellules au sein des somites, le rachis se forme à partir du sclérotome. Différentes régions émergent au sein de ce sclérotome : ventrale, centrale, dorsale et latérale. Ces cellules mésenchymateuses migrent progressivement de part et d’autre de la chorde et du tube neural pour former les corps vertébraux. Ce processus de différenciation et de migration est bilatéral, symétrique et métamérique. Le sclérotome se différencie en sclérotome

- Dorsal : qui va migrer en arrière du tube neural- Central : qui va constituer l’arc postérieur de la vertèbre- Ventral : qui va migrer autour de la chorde pour constituer l’essentiel des corps vertébraux- Latéral : qui va constituer les pédicules postérieurs de la vertèbre

Ces contingents sont symétriques, et il se crée une connexion entre les contingents droit et gauche.

Roneo 2 cours 4 UE11 3/10

On a au départ 4 hémi-sclérotomes, comportant chacun une partie supérieure et une partie inférieure. Le 1/3 supérieur de l’hémi-sclérotome sous-jacent fusionne avec les 2/3 inférieurs de l’hémi-sclérotome sus jacent. Il se forme alors des blocs de sclérotome, préfigurant la ligne de von Ebner ou ligne inter segmentaire, qui est responsable de la formation du disque intervertébral. Des muscles intercostaux viendront s’insérer en regard de chaque ligne. Les vestiges de la chorde sont visualisables uniquement au niveau de ces disques intervertébraux, qui les enserrent. La formation des vertèbres est métamérique, allant du crânial vers le caudal. Ceci est dû à la dynamique de fermeture du tube neural.

Histogénèse : - À J 35, on observe une condensation cellulaire préfigurant le rachis. Tout est cartilagineux mais diffère en termes de densité cellulaire. Les régions les plus foncées représentent les futurs disques intervertébraux, qui restent cartilagineux. - À 9 SA, on distingue le corps et le disque intervertébral, et au niveau de chaque disque, des vestiges de la chorde, aussi appelés nucléus pulposus - A 21SA, on distingue des centres d’ossification dans la vertèbre formée mais toujours à l’état cartilagineux, dans lesquels des chondrocytes s’ossifient de manière centrifuge

L’histogénèse débute relativement tôt, au début de la 5e semaine. Le rachis est dessiné à partir de la maquette cartilagineuse

Roneo 2 cours 4 UE11 4/10

Puis, lors de la 6e semaine, les cellules mésenchymateuses entourant le tube neural et la chorde se transforment en chondrocytes (cartilage en bleu sur le schéma du dessus) Lors de la 7e semaine, une fois toutes les vertèbres entièrement formées de cartilage, des centres d’ossification primaire (en rouge) apparaissent. Le premier centre apparait autour de la chorde. Ce phénomène correspond à l’apparition des vertèbres ossifiées chez l’embryon. Puis, à la naissance, cette vertèbre continue de croitre, ce qui est permis par les synchondroses, qui sont des parties cartilagineuses, non encore ossifiées. Enfin, à la puberté apparaissent les centres d’ossification secondaires, aux extrémités distales de chaque partie de la vertèbre. Puis, la vertèbre s’ossifiera totalement, entrainant la disparition des synchondroses.

Le même mécanisme est à l’oeuvre pour le crâne, les synchondroses étant remplacées par les sutures.

Il existe plusieurs types de cartilage successifs : de réserve, prolifératif, pré-hypertrophique puis hypertrophique. Puis ce dernier, sécrétant une abondante matrice extracellulaire (MEC), disparait et cette MEC sert de guide au processus d’ossification : les travées ossifiées seront remplies de moelle osseuse)

B. Le crâne

Le crâne est constitué de deux parties

Le neurocrâne, qui concerne la tête et le cerveau, et correspond aux écailles osseuses formant la boite crânienne (os occipital…), et à la base du crane (os sphénoïde, ethmoïde…). On distingue neurocrâne cartilagineux et membraneux.

- Les os de la base du crâne sont cartilagineux (en bleu), c’est à dire formés comme le rachis à partir de la maquette cartilagineuse (ossification endochondrale). On appelle cet ensemble le chondrocrâne.

- Les os de la voute du crâne sont quant à eux membraneux (en jaune) : leur mode d’ossification est endomembraneux.

Le viscérocrâne, qui correspond au reste du crâne (mâchoire et quelques autres os, dont les osselets de l’oreille interne). Ces composants peuvent également être

- Cartilagineux (en vert) : les os du larynx, l’os hyoïde, l’enclume et le marteau- Ou membraneux (en rouge) : l’étrier, les os du rocher et de la machoire (maxillaire,

mandibulaire).

- Les os de la voute crânienne (neurocrâne membraneux)

Le nombre de centres d’ossification préfigure le nombre d’os constituant la voute crânienne. À chaque type d’os (pariétal, occipital, frontal, temporal) correspond un centre d’ossification.Chez un fœtus à 13 SA, on distingue les os pariétal et occipital progressant à partir des centres d’ossification tentaculaires, formant l’os à partir du mésenchyme. Les sutures lambdoïde et sagittale et la fontanelle postérieure (lambda), sont indispensables à la croissance du crâne et de la tête, et en relation avec la croissance de l’encéphale.

Les 2 os frontaux sont séparés par la suture métopique, qui est une des premières sutures à fusionner, assez tôt, mais reste ouverte vers le haut pour permettre la croissance de la boite crânienne La fontanelle antérieure (bregma) nait de la convergence des sutures coronales, métopique et sagittale

Roneo 2 cours 4 UE11 5/10

La fontanelle postérieure (lambda) = nait de la convergence des sutures lambdoïde et sagittale

En grandissant, le cerveau émet des pressions sur les os du crâne au niveau des sutures pour permettre leur extension. Si les sutures se ferment prématurément, cela peut donner lieu à des synostoses (fusion d’un ou plusieurs os) ou à des craniosténoses (plus spécifiques de la voute du crâne). Il en existe plusieurs types, telle la brachycéphalie, la scapocéphalie... La croissance cérébrale influence la croissance des os du crâne.

II. Les membres

A) Morphogenèse : morphologie, bases moléculaires

La morphogénèse des membres (ou squelette appendiculaire), s’effectue entre J 25 et J 52. En situation normale, après le passage de l’embryon au fœtus, tous les membres sont correctement formés et orientés. Se succèdent plusieurs étapes : initiation, élongation et différenciation.

- La morphogénèse se divise en 2 étapes

L’étape d’initiation, dans la croissance d’un membre, correspond à l’apparition d’un bourgeon, c’est-à-dire à l’ébauche du membre, supérieur à J25 puis inférieur à J30. En effet, de manière générale, les structures crâniales se développent toujours avant les structures plus caudales. Puis apparaitront les 3 axes de symétrie (vus plus loin) et le membre va grandir et se rigidifier. Les cellules ectodermiques du bourgeon prolifèrent à l’extérieur, tandis que les cellules mésodermiques prolifèrent à l’intérieur : y apparaissent les chondrocytes, qui vont modéliser les os des membres avant ossification. Ainsi, au niveau du bras, apparaissent successivement l’humérus, puis le radius, l’ulna, les carpes et enfin les phalanges. Au niveau de la jambe se mettent en place le fémur, puis le tibia, la fibula, les tarses et les phalanges. Chaque membre est ainsi constitué de 3 segments, se formant progressivement à partir du bourgeon.

L’élongation et la différenciationL’élongation correspond a la croissance des 3 segments de membres et la différenciation correspond a l’ossification de ces derniers. Ces deux mécanismes sont simultanés. Sur les images du diapo, dont certaines sont insérées ci-dessous, on observe que- Le membre inférieur apparait à J30, 5 jours après le membre supérieur. - À J35 apparait déjà le 2e segment du membre supérieur. On voit à travers la membrane transparente des condensations mésenchymateuses, préfigurant l’apparition des doigts. - A J40 : le membre supérieur est divisé en 3 segments, alors que le membre inférieur est moins développé. Au niveau des mains toujours à l’état de palette, les zones plus blanches caractérisent la condensation mésenchymateuse. Puis le mésenchyme non condensé (plus clair) va disparaitre par apoptose pour laisser apparaitre les différents doigts. La syndactylie, qui est fusion des doigts là (ou des orteils) entre eux, ne pose pas problème tant qu’elle est membraneuse, car les doigts se séparent alors facilement. Le traitement est plus compliqué lorsque la syndactylie est osseuse.

- À J40-J45 : illustration du gradient cranio caudal : on a des doigts au niveau des mains, tandis que les pieds sont toujours à l’état de palette- À J50 : le fœtus possède désormais 5 doigts et 5 orteils. Dans un premier temps, les mains et les pieds de l’embryon se regardent, puis s’opère un mouvement de rotation a l’état de fœtus : mains et pieds regardent désormais par terre. Le fœtus à J50 a normalement ses 3 segments et ses doigts bien différenciés, sinon il faut soupçonner une anomalie, telle une maladie génétique sous-jacente. Les anomalies sont plus ou moins graves. La syndactylie partielle entre le 2e et le 3e orteil est par exemple une malformation courante et peu gênante.

Roneo 2 cours 4 UE11 6/10

A titre d’illustration, selon le professeur, les bourgeons des membres supérieurs mesurent 4mm à J25, 6mm à J30, 13mm à J40, 20mm à J45-50, et 35mm à 2 mois

- Mécanismes cellulaires et moléculaires

L’initiation (c’est-à-dire l’apparition des bourgeons des membres) débute à J 25. Le bourgeon est composé de deux tissus : l’ectoblaste (= ectoderme) à la surface et le mésoblaste (= mésenchyme) en dessous. Un certain nombre de gènes sont impliqués dans cette première étape.

- La distribution des gènes HOX sur les membres inférieurs et supérieurs est bien étudiée sur les modèles animaux, comme chez la souris ou la drosophile, sur lesquels on peut perturber l’expression de ces gènes. Par exemple, on peut déplacer un gène HOX préférentiellement antérieur sur un membre postérieur. HOX est une grande famille de gènes, numérotés de 1 à 13, et regroupés en familles A, B, C et D.- HOX 4 et 5 sont spécifiques des membres inférieurs- HOX 9, 10 et 11 sont spécifiques des membres supérieursCes gènes sont très sensibles à l’acide rétinoïque

- D’autres gènes importants se retrouvent en pathologie humaine. Il faut bien différencier les gènes chez l’animal et chez l’homme. En effet, on a identifié le gène Brachyurie chez la souris, possédant une séquence particulière T-Box, puis après cela on a identifié chez l’homme une famille de gênes portant ce même domaine : les gènes TBX. TBX 5, exprimé dans le mésoblaste, est spécifique du membre supérieur tandis que TBX4 est spécifique du membre inférieur. Cela n’empêche pas qu’ils soient exprimés ailleurs dans l’embryon (TBX4 est exprimé dans le cœur par exemple). Leur expression est bien conservée parmi les espèces.

- D’autres facteurs sont repérés après décortication des signaux cellulaires, comme FGF8 et 10. Dans la technique d’hybridation in-situ radioactive ci-contre, les images sont en noir et blanc, et le blanc correspond à l’expression du gène. On voit ici que FGF 8 ET 10 sont exprimés dans le bourgeon. FGF8 est exprimé dans le mésenchyme et est associé au récepteur FGFR1.

FGF10 est lui spécifiquement exprimé au niveau de l’ectoblaste. Sa voie de signalisation passe par son récepteur FGFR2, qui agit sur la crête apicale ectodermique.

Roneo 2 cours 4 UE11 7/10

Il existe 3 zones clé de la morphogénèse, qui sont essentielles dans la croissance- La crête apicale (AER) est le renflement ectodermique autour du bourgeon. Elle induit l’expression de

FGF8 au niveau de la zone de progression, ce qui active cette zone de progression.- La zone polarisante (ZPA), située au niveau postérieur du membre- La zone de progression (ZP), moins importante, correspondant au mésenchyme vascularisé du bourgeon et

participant également à la progression du bourgeon de membre

Il existe également 3 différents axes de symétrie des bourgeons, les axes : - Antéro-postérieur = cranio-caudal - Proximo-distal- Dorso-ventral = dos-paume

La polarisation dorso ventraleElle est médiée en particulier par l’ectoderme au niveau de la crête apicale. 3 gènes sont exprimés en particulier au niveau de la crête apicale : Wingless (Wnt-7a), Fringe (R-fng) et Engrailed (En1). Leur expression préfigure la polarisation dorso ventrale. Suit à leur expression, au sein du mésenchyme vont s’exprimer 2 autres facteurs, les gènes LIM (Lmx1) et Ephrine (EphA7) : ces gènes importants sont responsables de la polarisation.- La polarisation dorsale est médiée par Wnt-7a, R-fng et Lmx1- La polarisation ventrale est médiée par En1 et EphA7

La croissance et la différentiation proximo-distaleElle est assurée par la crête apicale et la zone de progression, et dépend de l’expression de certains facteurs génétiques. FGF 8 et 10 jouent un rôle important au niveau de ces CA et ZP. Ainsi, la CA induit l’expression de FGF8 au niveau de la ZP, qui induit l’activation de la voie de signalisation de FGF8 via FGFR1. Puis FGF10 active la CA via FGFR2, ce qui permet la croissance du bourgeon.

CA FGF8 ZP (FGFR1)FGF10 CA (FGFR2)

HOX A et D sont aussi impliqués dans une moindre mesure. Beaucoup plus de gènes sont finalement impliqués, mais on se concentre ici sur les gènes majeurs, importants en pathologie humaine, dans le cas des mutations notamment

On distingue différents gènes HOX selon le niveau où ils se situent dans le membre. Par exemple, HOX 10 se situe au niveau de la main, de l’avant-bras et d’une partie du bras, tandis que HOX 12 et 13 ne sont globalement exprimés

Roneo 2 cours 4 UE11 8/10

qu’autour de la main. L’expression normale des HOX au niveau du bourgeon entraine la formation d’un bourgeon normal.

À l’inverse, voici quelques exemples d’agénésie de la main. Il n’y a pas de compensation possible par les autres gènes. Par exemple, Hoxa11 et Hoxd11 sont normalement exprimés au niveau de la main et de l’avant-bras. Leur absence entraine une agénésie de l’avant-bras mais pas de la main. Cela pourrait s’expliquer par une éventuelle compensation. La compensation serait alors variable selon les gènes ?

La polarisation antéro-postérieureUn gène majeur, le gène Sonic Hedge Hog (Shh), induit par la ZPA, agit sur son récepteur Patch, et va induire BMP2 qui lui-même va induire HOX A et D. Bien que les gènes HOX ne soient pas redondants, ils sont chevauchants. Hoxd9 est chevauchant avec Hoxd10, et ainsi de suite. Ce sont ces chevauchements qui vont permettre l’élongation du membre.

En résumé ++- La polarisation dorso-ventral est principalement due a Wnt-7a et En-1 - La polarisation proximo-distale est principalement due a FGF8 et 10, et dans une moindre mesure a HOX A et D- La polarisation antéro-postérieure est principalement due a Shh, puis a HOX A et D notammentL’expression des différents gènes est plus ou moins synergique pour parvenir a une croissance normale

Intégration des signaux : résumé

B) Histogenèse : os longs, diarthroses

Roneo 2 cours 4 UE11 9/10

La formation d’une structure rigide à l’intérieur du membre est nécessaire afin d’accompagner sa croissance. La rigidification se fait par condensation mésenchymateuse pré-cartilagineuse, cartilagineuse puis ossifiée. Les facteurs importants dans ce processus sont BMP, GDF et SOX 9.

Les cellules mésenchymateuses s’avancent pour dessiner la morphologie du futur membre. Par exemple, lorsque la main se modélise, seules les cellules mésenchymateuses (en vert sur le schéma ci-contre) sont présentes, puis celles-ci se différencient en chondrocytes (en bleu) : c’est la modélisation du futur os à partir de la maquette cartilagineuse. On observe ci-contre les maquettes des futurs os du bras, tels le radius, l’humérus, l’ulna… Secondairement apparaitront les phalanges. Les maquettes cartilagineuses s’allongent, et adoptent leur morphologie définitive en grandissant. À J 45, on observe la présence de phalanges et à J50 commence l’ossification

Les clavicules sont le 1e os à apparaitre, à 8 SA. Ces os sont visualisables à la radio. - Ensuite débute le processus d’ossification cartilagineuse. L’ossification peut êtreUne ossification corticale : celle-ci permet la croissance en largeur, au niveau de l’épiphyse. Une ossification endochondrale (cartilagineuse) : celle-ci permet la croissance en longueur, au niveau de la métaphyse, au niveau de la corticale. Se succèdent les cartilages de réserve, prolifératif, pré-hypertrophique, hypertrophique et de conjugaison, jusqu’à la formation de l’os. Les loges laissées vacantes par la mort cellulaire des chondrocytes se remplissent de moelle osseuse. Seules subsistent du cartilage les travées cartilagineuses : ces travées osseuses primaires servent de guide au processus d’ossification.

Le remodelage métaphysaire détermine la forme de l’os

Pour rappel, la tête de l’os, encore cartilagineuse chez le fœtus, s’ossifie chez l’adulte  : elle correspond à l’épiphyse. La métaphyse est la zone de production d’ossification, et est visible à la radio. La diaphyse correspond à la partie allongée du milieu de l’os.

L’ostéogénèse imparfaite, la déminéralisation osseuse, sont dues à l’expression de certains gènes, en fonction de l’état dans lequel se trouve la cellule : progéniteur chondrocytaire, chondrocyte pré-hypertrophique, chondrocyte hypertrophique…. Différents facteurs sont impliqués.

Les articulations Elles se forment par apoptose des chondrocytes, sous l’influence de GDF ++ au niveau de la future cavité synoviale, ainsi que par l’expression des récepteurs FGFR2 en bordure. GDF va ensuite disparaitre, ce qui entraine l’apoptose des cellules du mésenchyme, laissant alors place a la cavité synoviale.

Roneo 2 cours 4 UE11 10/10

Dédicaces Au châleeeeetÀ la TRCAux déshydratésÀ mon vélo qu’on ne m’a toujours pas volé et dont le jumeau rôde autour de la facÀ XX qui ne lit pas mes dédicaces À petite étoile, partner in crime polyvalent since 2018

Roneo 2 cours 4 UE11 11/10