La relation entre la pathogenèse de l’ostéoporose et l’autophagie
La manifestation du déséquilibre du métabolisme osseux dans l’ostéoporose : L’ostéoporose (OP) peut être divisée en deux grands types selon ses caractéristiques étiologiques : primaire et secondaire. L’OP primaire est associé à divers facteurs, notamment le vieillissement, le contexte génétique et les influences environnementales, tandis que l’OP secondaire a des causes plus définitives, principalement liées à des maladies spécifiques ou à l’utilisation de certains médicaments7. Actuellement, il est largement admis dans le domaine de la médecine moderne que le mécanisme de régulation du déséquilibre du métabolisme osseux est le facteur clé dans l’induction de la OP, qui implique essentiellement la perturbation de l’équilibre dynamique du métabolisme osseuse, entraînant une série de changementspathologiques 8. Du point de vue du métabolisme osseus, l’équilibre entre la formation osseuse et la résorption osseuse est crucial pour maintenir la santé squelettique. Chez les patients avec OP, cet équilibre est perturbé, la résorption osseuse dépassant la formation osseuse, entraînant une diminution progressive de la masse osseuse et une destruction de la microstructureosseuse 9. Dans des conditions physiologiques normales, les niveaux des marqueurs de formation osseuse et de résorption osseuse sont relativement stables, maintenant un équilibre dynamique. Cependant, chez OP, les niveaux de marqueurs de formation osseuse tels que la phosphatase alcaline osseuse (BALP) et le procollagène procollagène N-terminal de type I (PINP) diminuent, tandis que les niveaux de marqueurs de résorption osseuse tels que la phosphatase acide résistante au tartrate 5b (Tracp-5b) et le peptide C-terminal du collagène de type I (CTX-1) augmentent. Ces changements entraînent directement une perte osseuse et des dommagesstructurels 10. Au niveau cellulaire, les lymphocytes T régulateurs (Treg) et les cellules T helper 17 (Th17) jouent un rôle central dans la régulation du métabolisme osseuse. Comparés aux individus en bonne santé, les patients avec OP présentent une proportion plus faible de cellules Treg et une proportion plus élevée de cellules Th17, ce qui perturbe l’équilibre Treg/Th17. Plus précisément, les niveaux de cytokines sécrétées par les cellules Treg, telles que l’interleukine-4 (IL-4), l’interleukine-10 (IL-10) et le facteur de croissance transformant β (TGF-β), diminuent, tandis que les niveaux de cytokines sécrétées par les cellules Th17, telles que l’interleukine-17 (IL-17) et le facteur de nécrose tumorale α (TNF-α), augmentent. Ces changements dans les niveaux de cytokines affectent l’axe de signalisation OPG/RANKL/RANK, favorisant la différenciation des ostéoclastes et inhibant la sécrétion d’ostéoblastes de l’OPG, aggravant ainsi la gravité de l’ostéoporose11,12.
Le rôle physiologique normal de l’autophagie dans le métabolisme osseux
Maintien de l’homéostasie des cellules osseuses et de sa fonction
L’autophagie joue un rôle fondamental dans les processus physiologiques des cellules osseuses et est cruciale pour maintenir leur homéostasie. Lors de la formation osseuse, les précurseurs des ostéoblastes subissent une diminution de leur activité autophagique pendant environ 12 heures, ce qui indique le rôle significatif de l’autophagie dans les premiers stades des ostéoblastes. Les autophagosomes accumulés dans les cellules souches mésenchymateuses non différenciées peuvent être rapidement dégradés pour fournir de l’énergie et des précurseurs métaboliques à la différenciation cellulaire. De plus, l’autophagie peut protéger les ostéoblastes des effets toxiques du chlorure de plomb et d’autres stimuli nocifs, maintenant ainsi leur fonctionnormale 1,7.
Régulation de l’équilibre entre la formation osseuse et la résorption
L’autophagie joue un rôle essentiel dans la régulation de l’équilibre du métabolisme osseuse. Un niveau approprié d’autophagie peut maintenir la survie et le fonctionnement des cellules osseuses, assurant l’équilibre dynamique entre la formation osseuse et la résorption. Par exemple, dans des conditions pauvres en œstrogènes, l’autophagie peut protéger les ostéoblastes, favorisant leur prolifération et leur différenciation, tandis qu’inhiber l’autophagie induit l’apoptose des ostéoblastes, affectant la formationosseuse 13. Par contre, l’autophagie est également impliquée dans la régulation de la formation et du fonctionnement des ostéoclastes, affectant ainsi la résorption osseuse. Chez les ostéoclastes, la déficience du gène lié à l’autophagie BECN1 entraîne une diminution de la différenciation des ostéoclastes et de la capacité de résorption osseuse, indiquant l’impact significatif de l’autophagie sur le maintien de la fonction des ostéoclastes et le processus de résorptionosseuse 14.
Implication dans la différenciation et la maturation des cellules osseuses
L’autophagie est étroitement liée à la différenciation et à la maturation des cellules osseuses. Au stade précoce de la différenciation des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse en ostéoblastes, le niveau d’autophagie change, et l’expression des gènes liés à l’autophagie est coordonnée avec le processus de différenciation cellulaire. L’autophagie fournit une base énergétique et matérielle à la différenciation cellulaire en dégradant les protéines et organites endommagés à l’intérieur de la cellule, favorisant la différenciation et la maturation des ostéoblastes. Parallèlement, l’autophagie est également impliquée dans la régulation de la différenciation et de la maturation des précurseurs des ostéoclastes, affectant la fonction et le nombre d’ostéoclastes. En tant que mécanisme de réponse au stress cellulaire, l’autophagie peut aider les cellules osseuses à faire face à diverses conditions de stress, telles que le stress oxydatif, l’hypoxie et la carence en nutriments. Sous des conditions de stress oxydatif, l’autophagie peut éliminer les espèces réactives d’oxygène (ROS) accumulées dans la cellule, réduisant les dommages oxydatifs et protégeant l’intégrité et la fonction des cellules osseuses. Par exemple, chez les ostéoblastes stimulés par H₂O₂, l’activation de l’autophagie aide à éliminer les ROS, à atténuer les dommages oxydatifs et à maintenir la survie et l’activité cellulaire15. De plus, l’autophagie est également impliquée dans la réponse adaptative des cellules en conditions hypoxiques, aidant les cellules osseuses à survivre dans un environnement hypoxique en régulant le métabolisme énergétique et la stabilité de l’environnementintracellulaire 16.
Promotion de la régénération et de la réparation osseuse
L’autophagie joue un rôle clé dans le processus de régénération et de réparation osseuse. Lors de la cicatrisation des fractures, l’autophagie est impliquée dans la régulation de la formation et de la maturation des callosités, favorisant la régénération et la réparation du tissu osseuse. Des études ont montré que certaines hormones et facteurs de croissance influencent la régénération et la réparation osseuse en régulant l’autophagie. Par exemple, l’hormone parathyroïdienne (PTH) peut favoriser l’autophagie chez les ostéoblastes et les chondrocytes, ce qui est bénéfique pour le soulagement de l’arthrose et la réparation du tissuosseux 17,18.
Maintien de l’équilibre énergétique du métabolisme des cellules osseuses
L’autophagie fournit de l’énergie et des produits métaboliques aux cellules osseuses en dégradant et recyclant les substances à l’intérieur de la cellule, maintenant ainsi l’équilibre énergétique du métabolisme cellulaire. Dans des conditions de carence en nutriments ou d’augmentation de la demande énergétique, l’autophagie peut décomposer de grosses molécules à l’intérieur de la cellule, telles que les protéines, les lipides et le glycogène, les convertissant en énergie et en intermédiaires métaboliques pour répondre aux besoins énergétiques de la cellule et assurer le fonctionnement physiologique normal des cellulesosseuses 19,20.
Modifications anormales et mécanismes clés de l’autophagie dans la pathogenèse de l’ostéoporose : déclin de la fonction de l’autophagie et déséquilibre du métabolisme osseux
En ostéoporose, la fonction de l’autophagie cellulaire est anormale, principalement caractérisée par une diminution des niveaux d’autophagie ou une expression aberrante de protéines liées à l’autophagie. Cette baisse de la fonction de l’autophagie perturbe l’équilibre du métabolisme osseuse, entraînant un déséquilibre entre la formation osseuse et la résorption. Par exemple, des études ont montré que les niveaux d’expression des protéines liées à l’autophagie sont réduits dans les cellules souches mésenchymates de la moelle osseuse des patients atteints d’ostéoporose, affectant leur capacité à se différencier en ostéoblastes et réduisant par conséquent la formationosseuse 21,22,23.
Mécanismes affectant les ostéoblastes
La carence en œstrogènes est l’un des facteurs importants contribuant à l’ostéoporose. Il réduit nettement les niveaux d’expression des protéines liées à l’autophagie dans les ostéoblastes, telles que l’ATG5 et l’ATG7, inhibant ainsi la différenciation et la minéralisation des ostéoblastes et augmentant l’apoptose des ostéoblastes. De plus, l’augmentation des espèces réactives d’oxygène (ROS) est un facteur clé influençant l’autophagie des ostéoblastes dans l’ostéoporose. Dans un environnement de stress oxydatif, un excès de ROS peut endommager les protéines et organites intracellulaires. La diminution de la fonction de l’autophagie ne permet pas d’éliminer ces substances endommagées en temps voulu, aggravant encore les dommages oxydatifs des ostéoblastes. Cela conduit finalement à l’apoptose des ostéoblastes et à une altération fonctionnelle, affectant la formationosseuse 24.
Mécanismes affectant les ostéoclastes
En ostéoporose, les anomalies de l’autophagie affectent également la fonction ostéoclaste. D’une part, les changements dans l’expression des protéines liées à l’autophagie peuvent favoriser la formation et l’activation des ostéoclastes. Par exemple, Zhan19 a constaté que la régulation à la baisse de certaines protéines liées à l’autophagie augmente la sécrétion du récepteur activateur du ligand du facteur nucléaire κB (RANKL), un facteur clé dans la promotion de la différenciation et de l’activation des ostéoclastes, accélérant ainsi la résorption osseuse. En revanche, un dysfonctionnement de l’autophagie peut entraîner un dysfonctionnement mitochondrial et une accumulation de ROS chez les ostéoclastes, améliorant ainsi leur capacité de résorption osseuse et aggravant la perte osseuse.
Relation avec la sénescence cellulaire
La sénescence cellulaire est l’un des mécanismes importants dans la pathogenèse de l’ostéoporose, et elle est étroitement liée au déclin de la fonction de l’autophagie. Dans les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse sénescentes, la diminution des niveaux d’autophagie entraîne l’accumulation de mitochondries et de protéines endommagées, déclenchant le phénotype sécréteur associé à la sénescence (SASP). Cela entraîne la sécrétion de grandes quantités de facteurs inflammatoires et de métalloprotéinases matricielles, qui inhibent non seulement la différenciation et la fonction des ostéoblastes, mais favorisent également l’activation des ostéoclastes et la résorption osseuse, accélérant ainsi la progression de l’ostéoporose25,26.
Association avec la réponse inflammatoire L’ostéoporose s’accompagne souvent d’un état inflammatoire chronique de faible grade, et il existe une interaction complexe entre les réponses inflammatoires et l’autophagie. Les cytokines inflammatoires telles que le TNF-α et l’IL-1β peuvent influencer l’initiation et la régulation de l’autophagie via diverses voies de signalisation. Inversement, le dysfonctionnement de l’autophagie peut également réguler la production et la libération de cytokines inflammatoires. En ostéoporose, une libération accrue de cytokines inflammatoires inhibe davantage l’autophagie et la fonction des ostéoblastes tout en favorisant la formation et l’activation des ostéoclastes, aggravant le déséquilibre du métabolismeosseux 27,28.
Interventions de la médecine traditionnelle chinoise (MTC) dans les voies liées à l’autophagie pour le traitement de l’ostéoporose
La voie de signalisation PI3K/AKT/mTOR
PI3K peut phosphoryler les lipides sur la membrane cellulaire pour produire du phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate (PIP3). L’AKT, en tant que molécule effectrice en aval, subit des modifications conformationnelles et s’active lors de la détection des signaux PIP3. L’AKT activé phosphorylle davantage le mTOR en aval, qui, en tant que régulateur clé de la croissance et du métabolisme cellulaire, favorise la synthèse de protéines liées au cycle cellulaire telles que la cycline D1, entraînant la transition du cycle cellulaire de la phase G1 à la phase S et accélérant la prolifération desostéoblastes 29,30. De plus, mTOR favorise la phosphorylation de facteurs clés de synthèse protéique, tels que 4E-BP1 et S6K1, améliorant la synthèse des protéines et fournissant une base matérielle pour la différenciation des ostéoblastes, améliorant finalement leur fonction et favorisant la formation du tissu osseuse. Par exemple, Mi et al. ont découvert qu’une formule tonifiante et activant le sang active cette voie, augmentant l’expression des protéines de PI3K, p-AKT et mTOR, favorisant significativement l’expression de gènes et protéines liés à la formation osseuse, et accélérant la réparation des défautsosseux 31,32.
L’activation de l’AKT peut inhiber l’expression de protéines liées à l’apoptose, telles que Bax. Bax, une protéine pro-apoptotique de la membrane externe mitochondriale, peut entraîner des modifications de la perméabilité mitochondriale lorsque son expression augmente, libérant le cytochrome c et activant la famille des enzymes caspases, induisant ainsi l’apoptosecellulaire 33,34. L’activation de l’AKT réduit l’expression de Bax, empêchant ce processus. Parallèlement, l’AKT augmente l’expression de la protéine anti-apoptotique Bcl-2, qui peut rivaliser avec Bax pour se lier aux pores de la membrane externe mitochondriale, empêchant la libération du cytochrome c et réduisant ainsi l’apoptose des ostéoblastes et maintenant la masseosseuse 34. mTOR est un régulateur négatif clé de l’autophagie. Dans des conditions riches en nutriments, mTOR est très actif et peut se lier à la protéine liée à l’autophagie ULK1, empêchant ainsi l’autophagie35,36. Cependant, lorsque les cellules sont confrontées à des conditions de stress telles qu’une carence en nutriments ou une hypoxie, l’activité mTOR est inhibée, ULK1 est activée et l’autophagie est déclenchée. L’autophagie peut éliminer les mitochondries et protéines endommagées à l’intérieur de la cellule, maintenant ainsi une homéostasie intracellulaire. Une autophagie modérée aide les ostéoblastes à faire face à des affections défavorables telles que l’insuffisance nutritionnelle ou le stress oxydatif, protégeant ainsi le tissuosseux 37,38,39. Niu40 a constaté qu’une formule réchauffante et analgésiques peut moduler la voie de signalisation AMPK/mTOR, augmenter les niveaux d’autophagie, améliorer la microstructure osseuse et favoriser la réparation et la régénération du tissu osseuse.
Voie de signalisation AMPK/mTOR
L’AMPK, une kinase protéique Ser/Thr hautement conservée, est extrêmement sensible aux changements de statut énergétique cellulaire. Lorsque les cellules sont confrontées à une carence énergétique, le rapport AMP/ATP augmente, ce qui conduit à l’activation de l’AMPK. L’AMPK activé initie directement l’autophagie en phosphorylant des protéines liées à l’autophagie telles que l’ULK1, fournissant un soutien critique pour l’élimination des composants endommagés et le maintien de l’homéostasie cellulaire41,42. De plus, l’AMPK renforce indirectement l’autophagie en inhibant l’activité du mTOR. Lors de l’autophagie, l’excès de glycogène, de graisse et de protéines à l’intérieur de la cellule sont dégradés de manière ordonnée pour fournir de l’énergie et des nutriments à la fonction cellulaire, garantissant ainsi que les cellules peuvent maintenir des fonctions physiologiques de base dans des conditionsdéfavorables 43,44.
Dans le domaine du traitement de l’ostéoporose, l’activation de la voie de signalisation AMPK/mTOR montre un grand potentiel. D’une part, l’AMPK peut réguler précisément le métabolisme énergétique, fournissant un fort élan pour la prolifération et la différenciation des ostéoblastes et favorisant la formation de nouveaux os. En revanche, il peut réguler habilement l’expression de l’ostéopontine, une protéine clé du métabolisme osseuse, accélérant la formation des nodules de minéralisation et contribuant à une augmentation de la densité osseuse ainsi qu’à un métabolisme osseuxoptimisé 45,46. Par exemple, une étude de Wei47a démontré que les capsules de Zanggu Zhitong améliorent la densité osseuse et le métabolisme osseux en modulant la voie de signalisation AMPK/mTOR, ce qui pourrait être lié à l’activation de l’AMPK et à la régulation subséquente des voies de signalisation en aval.
De plus, l’activation de l’AMPK est également très efficace pour lutter contre le stress oxydatif. Il peut réguler finement l’état rédox cellulaire et favoriser significativement l’expression d’enzymes antioxydantes telles que SOD et CAT, réduisant ainsi la génération d’OOS à la source. Les ROS, en tant que « molécules destructrices » dans les cellules, peuvent causer de graves dommages aux macromolécules biologiques telles que l’ADN, les protéines et les lipides lorsqu’ils ne sont pas contrôlés, perturbant ainsi les fonctions physiologiques cellulaires normales. En inhibant précisément la génération de ROS, l’activation de l’AMPK construit une défense antioxydante robuste contre les ostéocytes, atténuant efficacement les dommages causés par le stress oxydatif et maintenant la santé et la vitalité du tissu osseuse. Comparé à d’autres traitements traditionnels, l’activation de la voie de signalisation AMPK/mTOR régule non seulement le métabolisme énergétique et favorise la formation osseuse, mais renforce également la résistance au stress antioxydant. Ce mécanisme d’action multi-cibles et complet le rend unique dans le traitement de l’ostéoporose, offrant une nouvelle stratégie clinique plus prometteuse.
La voie de signalisation PINK1/Parkin
Dans des conditions physiologiques, PINK1, une protéine de la membrane externe mitochondriale, est généralement transloquée dans les mitochondries et dégradée par la translocase de la membrane mitochondriale interne. Cependant, lorsque la fonction mitochondriale est altérée et que le potentiel membranaire diminue, PINK1 ne peut pas pénétrer dans la membrane interne et s’accumule plutôt sur la membrane externe. À ce stade, PINK1 phosphoryle la Parkine, favorisant sa translocation du cytosol vers la surface mitochondriale. En tant que ligase ubiquitine E3, la Parkin est impliquée dans l’ubiquitination des mitochondries, ce qui permet de les reconnaître et de les dégrader par les autophagosomes, éliminant ainsi les mitochondries endommagées et maintenant leur fonction normale au sein de lacellule 48,49,50.
En favorisant la mitophagie, la voie de signalisation PINK1/Parkin peut réduire la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) provenant des mitochondries endommagées à l’intérieur de la cellule. Les ROS endommagent non seulement les biomacromolécules intracellulaires, mais induisent aussi l’apoptose. Par conséquent, l’activation de la voie de signalisation PINK1/Parkin peut diminuer les niveaux de stress oxydatif, protéger les ostéocytes des dommages oxydatifs et maintenir la viabilité et la fonctioncellulaires 51,52.
Dans le traitement de l’ostéoporose, la modulation de la voie de signalisation PINK1/Parkin aide à rétablir l’équilibre du métabolisme osseuse. D’une part, en éliminant les mitochondries endommagées, elle maintient la santé des ostéoblastes et améliore leur capacité de formation osseuse. En revanche, réduire la production de ROS peut inhiber l’activité des ostéoclastes et diminuer la résorption osseuse. Xian et al. 53ont rapporté que Zuo Gui Wan et You Gui Wan régulent la voie de signalisation PINK1/Parkin, influencent le niveau de mitophagie, modulent ainsi le métabolisme osseuse, augmentent la densité osseuse, diminuent les niveaux sériques d’ostéocalcine et améliorent efficacement les symptômes de l’ostéoporose postménopausique. Comparée aux méthodes de traitement traditionnelles, cette stratégie basée sur la régulation des voies de signalisation se concentre davantage sur le rétablissement de l’équilibre du métabolisme osseux au niveau cellulaire et présente des avantages uniques.
En résumé, la voie de signalisation PI3K/AKT/mTOR améliore principalement la formation osseuse et réduit la résorption osseuse dans le traitement de l’ostéoporose en favorisant la prolifération et la différenciation des ostéoblastes, en inhibant l’apoptose des ostéoblastes et en régulant la fonction de l’autophagie. L’activation de cette voie peut améliorer efficacement la fonction des ostéoblastes et maintenir la masse osseuse. La voie de signalisation AMPK/mTOR régule l’autophagie en détectant les changements de l’état énergétique cellulaire, améliorant ainsi le métabolisme osseux et exerçant des effets antioxydants du stress pour protéger les ostéocytes des dommages. En revanche, la voie de signalisation PINK1/Parkin est davantage axée sur le nettoyage des mitochondries endommagées par la mitophagie, la réduction du stress oxydatif et le maintien de la santé et du fonctionnement normal des ostéocytes pour réguler l’équilibre du métabolisme osseuse, fournissant de nouvelles cibles et mécanismes pour le traitement de l’ostéoporose.