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La matrice osseuse est organisée en fonction de la demande mécanique1,2 et peut changer dynamiquement pour tenir compte des exigences mécaniques changeantes 3,4,5. Des travaux fondamentaux concernant le mécanisme mécanosensoriel dans l’os ont été publiés sous forme d’article de modélisation il y a environ 30 ans 6,7,8, où il a été proposé que les ostéocytes intégrés dans l’os détectent la déformation mécanique au niveau du tissu via le mouvement des fluides dans leur environnement local. Ce modèle a été validé expérimentalement avec des expériences in vitro et ex vivo, où il a été clairement démontré que les ostéocytes sont assez mécanosensibles 1,2,3,4,5,6 et expriment également des cytokines, qui dirigent le comportement des ostéoblastes de construction osseuse 7 et des ostéoclastes 8,9,10, 11 et 12.
La signalisation calcique est un second messager omniprésent qui a été établi comme une figure centrale et une cible expérimentale fiable en mécanobiologie ostéocytaire 13,14,15,16. La signalisation calcique a l’avantage d’être largement étudiée en biologie cellulaire17, ce qui signifie que l’on sait beaucoup de choses sur ses effets en aval et les outils fluorescents correspondants disponibles pour l’observation expérimentale. Des analyses in vitro ont utilisé la signalisation calcique comme moyen d’identifier l’activation mécanique des ostéocytes et de caractériser le comportement de signalisation dynamique 5,18,19. Il convient de noter que l’observation de la signalisation calcique dans une lignée cellulaire d’ostéocytes a fourni des preuves définitives que l’activation liquidienne au niveau des attaches d’intégrine le long du processus cellulaire est probablement la principale forme d’activation de l’écoulement liquidien20. Cette étude est l’une des nombreuses qui mettent en évidence l’utilité de la signalisation calcique. Il est induit de manière fiable par l’activation mécanique des ostéocytes et sert donc de cible puissante pour interroger la mécanobiologie des ostéocytes.
La mécanotransduction des ostéocytes in vivo dépend fortement de leur microenvironnement immédiat. Les protéines de liaison matricielle (par exemple, les protéoglycanes, les intégrines) fournissent des attaches fonctionnelles entre les membranes cellulaires ostéocytaires dans un arrangement qui est essentiel pour l’activation liquidienne de la cellule21,22. Bien que les analyses in vitro bidimensionnelles (2D) soient utiles, elles sont limitées en ce sens qu’elles n’intègrent pas ces caractéristiques tridimensionnelles (3D) critiques. Des préparations ex vivo de la signalisation calcique ostéocytaire à l’aide de la microscopie confocale ont mis en lumière la façon dont les ostéocytes réagissent tout en gardant la matrice environnante intacte13,16. Cependant, on pense que l’élimination de l’apport sanguin de l’os modifie les nutriments et la dynamique des fluides du système lacunocanaliculaire. L’interrogation de la mécanobiologie ostéocytaire nécessite l’étude in vivo de la signalisation ostéocytaire induite par la charge.
L’étude in vivo des cellules intégrées dans l’os a été largement entravée par les limites des techniques d’imagerie traditionnelles, telles que le fond clair et la microscopie confocale. Les ostéocytes sont positionnés dans une matrice minéralisée23 composée d’hydroxyapatite, de collagène de type 1 et d’autres protéines non collagéniques qui limitent l’accessibilité optique24 et rendent l’investigation in vivo techniquement difficile. Cependant, les progrès récents de l’imagerie fluorescente non linéaire et des rapporteurs calciques génétiquement codés offrent la possibilité de surmonter ces défis.
Ici, nous rapportons une nouvelle approche avec la capacité d’imager les ostéocytes in vivo pour mesurer la signalisation calcique avec une résolution de25 au niveau cellulaire. Ceci est réalisé en utilisant un marqueur fluorescent dynamique utilisant pour la première fois un indicateur de calcium génétiquement codé dans des ostéocytes de souris. Les souris dont l’expression de GCaMP6f est ciblée sur les ostéocytes par DMP1-Cre présentent une fluorescence visible dans les ostéocytes dans tout le cortex diaphysaire des métatarses de souris17,26. Nous utilisons un système de flexion en trois points afin d’appliquer des niveaux physiologiques d’amplitude de déformation entre 250 et 2 000 με27. Cette technique permet de visualiser in vivo la dynamique de signalisation calcique des ostéocytes lors du chargement mécanique de l’os entier et pourrait être utile à toute personne cherchant à comprendre la mécanobiologie des ostéocytes. Cette méthode conviendrait aux chercheurs qui cherchent à étendre leurs travaux des analyses in vitro aux applications in vivo, en particulier tout en conservant les analyses moléculaires fonctionnelles (c’est-à-dire l’étude de l’activité cellulaire par la signalisation calcique) par opposition aux études de phénotypage à grande échelle.