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Ostéocalcine : la nouvelle physiologie de l’os expliquée

On connaît depuis longtemps les fonctions structurelles et mécaniques de l’os et du squelette. Mais ces dernières années, notre compréhension de sa physiologie a considérablement évolué. En plus du remodelage osseux et des productions cellulaires de la moelle, les récentes découvertes des multiples fonctions endocriniennes de l’os ouvrent une nouvelle ère thérapeutique.

La thérapie de l’os, et par l’os, est le fer de lance de l’Ostéothérapie Méthode Bounine®. Même si cette méthode est une approche plutôt biomécanique du tissu osseux, le concept de mémoire traumatique a toujours fait partie de ses fondamentaux. Les récentes découvertes concernant le rôle de l’os dans la réponse aiguë au stress corroborent ce concept, et ouvrent davantage le panel des bienfaits du soin par l’os.

L'ostéocalcine est au cœur de la physiologie de l’os. Une hormone dérivée des ostéoblastes, qui accumule des rôles très variés - et jusqu’alors insoupçonnés - au sein de la physiologie du corps humain :

●      La régulation de la glycémie via les cellules musculaires et le tissu adipeux blanc,

●      La biosynthèse de la testostérone au niveau des cellules de Leydig,

●      La stimulation de la sécrétion d’insuline par les cellules β du pancréas,

●      Ou encore dans la réponse aiguë au stress, via son implication dans le métabolisme énergétique.

Nous vous proposons ci-après un résumé des diverses fonctions physiologiques de l’os, des plus connues aux dernières découvertes.

Les fonctions physiologiques traditionnelles de l’os

Depuis toujours, l’homme connaît les rôles structurels et mécaniques de l’os et du squelette, essentiels à son maintien postural ainsi qu’à sa capacité de se mouvoir. Traditionnellement, on a longtemps cru que ses fonctions physiologiques se limitaient au tissu osseux, dans le renouvellement permanent de la trame osseuse appelé remodelage osseux, ainsi que dans les différentes cellules produites par la moelle des os longs.

Le remodelage osseux

physiologie os 

Source image : Anatomy & Physiology

Pour tous les vertébrés, il est critique de maintenir une masse osseuse constante, avec une trame de bonne qualité ainsi que d’excellentes propriétés biomécaniques. Ces caractéristiques indispensables sont assurées par la capacité de l’os à se renouveler continuellement, un mécanisme appelé remodelage osseux.

Le remodelage osseux est un processus ininterrompu comprenant deux phases, qui inclut la destruction de l’os préexistant :

●      La résorption osseuse contrôlée par les ostéoclastes,

●      Puis la formation osseuse de novo contrôlée par les ostéoblastes.

Ces deux phases n’apparaissent pas de manière séquentielle, mais simultanément à l'échelle macroscopique afin de maintenir une masse osseuse constante tout au long de la vie. Si l'équilibre entre ces deux phases se dérégule, des pathologies apparaissent. La plus connue d’entre elles, l'ostéoporose, est le résultat d’une trop forte résorption osseuse en comparaison avec la formation d'ostéocytes.

La régulation du remodelage osseux est complexe et implique diverses hormones, des facteurs de croissance, ainsi que des stimuli mécaniques. Par exemple, les stéroïdes sexuels jouent un rôle crucial pour l’entretien de la masse osseuse et lors des poussées de croissances osseuses à la puberté. L’importance des stimuli mécaniques a quant à elle été découverte à l’issue des premières expériences de l’Homme en impesanteur, les séjours prolongés des astronautes dans un environnement sans gravité terrestre occasionnant des formes inédites d'ostéoporose précoce.  

L’os au service des systèmes nerveux et sanguin

osteocalcine stress 

Les nerfs et les cellules du système nerveux dépendent du tissu osseux pour s'approvisionner en calcium et phosphore, des minéraux essentiels afin d’assurer leurs fonctions vitales, que nos os stockent précieusement à cet effet.

En permanence, la moelle située au cœur des os longs produit des cellules souches hématopoïétiques,  qui se différencient et constituent alors l’ensemble des cellules sanguines. Les globules rouges ou érythrocytes transportent l’oxygène. Les cinq types de globules blancs ou leucocytes nous protègent contre les substances étrangères au corps en détruisant virus, bactéries et autres champignons. Ils nous débarrassent également des cellules anormales (comme des cellules cancéreuses par exemple) ou usées, et nettoient l’organisme des débris cellulaires.

Les cellules souches hématopoïétiques peuvent aussi se différencier en mégacaryocytes, cellules responsables de la production des plaquettes sanguines. Régulée par le foie, la production de ces plaquettes est essentielle à la guérison des capillaires et vaisseaux sanguins abîmés. Elles sont responsables de la contraction des vaisseaux rompus pour rapprocher les bords de la lésion, de la formation du clou plaquettaire pour obturer la brèche, et enfin de la coagulation du sang en contact avec le clou.

Enfin, la moelle osseuse produit d’autres cellules en partie responsables de la formation des tissus cartilagineux et adipeux.

Les nouvelles fonctions physiologiques de l’os

“Les ostéocytes sont des cellules anciennes. Elles apparaissent déjà dans les fossiles des premiers poissons et dinosaures. En dépit de leur relative abondance, les ostéocytes sont peut-être parmi les cellules les moins étudiées de toute la biologie des vertébrés"

Alexander G. Robling et Lynda F. Bonewald, Annual Review of Physiology.

Depuis une vingtaine d’années, les découvertes des scientifiques sur la physiologie du tissu osseux ne cessent de révolutionner notre compréhension du fonctionnement du corps humain. Une à une, les études sur le sujet démontrent que nos os participent à de complexes conversations chimiques avec d’autres parties du corps comme le cerveau, le pancréas, les reins, le tissu adipeux, les cellules musculaires et même notre flore intestinale!

Les professeurs Alexander G. Robling et Lynda F. Bonewald de l'université d’Indiana, et d’autres chercheurs avant eux, ont mené d’importantes études sur la capacité des ostéocytes à réagir à la stimulation mécanique. Mais leurs travaux nous ont aussi éclairés sur le rôle des ostéocytes sur ces modes de communications inter-organes jusqu’alors inconnus.

Nos os communiquent avec nos reins

osteocalcine-osteoporose 

En 2006, la professeur Bonewald publie ses premières découvertes concernant les communications entre le squelette et les autres organes. Les ostéocytes produisent un facteur de croissance appelé FGF23. Cette molécule, comme les cellules produites par la moelle osseuse, profite de la formidable vascularisation du tissu osseux pour entrer dans le flux sanguin et ainsi atteindre les reins.

Lorsque le corps produit trop de ce facteur de croissance, les reins se mettent à relâcher trop de phosphore dans l’urine, ce qui provoque une carence de ce minéral essentiel. C’est notamment le cas de certaines formes de rachitisme héréditaire, qui donnent pour symptômes des muscles enraidis et faibles, des problèmes dentaires, et des os affaiblis par une trame osseuse moins dense.

L’os est indispensable à notre métabolisme énergétique

À la même période à l’université de Columbia, le professeur en physiologie Gerard Karsenty, spécialiste de l’endocrinologie du tissu osseux, publiait lui aussi ses premiers résultats de recherche sur les ostéocytes. La destruction et la reconstruction du tissu osseux étant particulièrement énergivores, le professeur Karsenty émet l’hypothèse à la fin des années 1990 d’une relation fonctionnelle entre métabolisme énergétique et remodelage osseux.

La publication de ses études en 2002 établit désormais clairement le lien entre ces deux processus biologiques par l’intermédiaire d’une hormone, la leptine. Cette hormone, déjà connue pour son rôle de “coupeur d’appétit”  est produite par les cellules adipeuses. Lorsque la leptine atteint notre cerveau, ce dernier envoie un signal qui stimule les récepteurs β-adrénergiques des ostéocytes ; inhibant la production d’ostéoblastes (constructeurs d’os) et stimulant la production d’ostéoclastes (destructeurs d’os).

En échange, ce changement de l’activité physiologique des ostéocytes permet au corps de réguler son métabolisme énergétique en fonction de ses besoins. D’un point de vue évolutif, on comprend aisément pourquoi chez les vertébrés la perte d’appétit et la mise en pause de la croissance osseuse seraient liées : lorsque les sources de nourriture se font rares, économiser l’énergie pour les fonctions vitales quotidiennes est une question de survie.

Pour confirmer cette découverte, son groupe de recherche a proposé à des radiologues expérimentés de participer à une expérience : en leur soumettant des radiographies de poignets et de mains d’enfants porteurs d’une mutation génétique, ayant pour effet de diminuer nettement la proportion de cellules adipeuses - et par conséquent de leptine - par rapport à la moyenne.

Les radiologues étant dans l’ignorance de l’âge des sujets, leurs estimations furent systématiquement erronées, avec des écarts de plusieurs mois voire de plusieurs années de plus que la réalité. En carence de leptine, les trames osseuses des sujets se densifient prématurément, et acquièrent des caractéristiques typiques d’os de sujets plus âgés.

En 2007, le professeur Karsenty et son équipe publient une nouvelle étude au sujet de l’ostéocalcine, en lien avec la régulation de la glycémie. Ils démontrent qu’en parallèle du rôle de la leptine sur l’activité de l’os via l’intermédiaire du cerveau, le tissu osseux agit sur l’homéostasie du glucose. En libérant de l’ostéocalcine dans le flux sanguin, les os stimulent la sécrétion d’insuline par les cellules β des îlots de Langerhans du pancréas, ce qui permet l’absorption du glucose par les cellules du foie, les cellules adipeuses ainsi que celles des muscles squelettiques.

Notre capacité de mouvement dépend de nos os

osteocalcine exercice physique  

Image by standret on Freepik

Les interactions entre l’os et le muscle, partenaires dans le mouvement, sont connues depuis longtemps en termes physiques. En se contractant, les muscles exercent une traction mécanique sur l’os, et plus les muscles se contractent régulièrement, plus ils s’accroissent. Et plus les muscles grandissent, plus la traction exercée sur l’os augmente. Or, plus cette stimulation mécanique augmente, et plus les os s’accroissent, se renforcent et s’agrandissent à leur tour. Ce processus permet à notre squelette de s’adapter continuellement à nos besoins physiques, pour que la proportion d’os et de muscles continue à travailler ensemble efficacement.

Depuis leur apparition dans l’évolution, et même pour leurs ancêtres avant eux, les vertébrés ont dû compter sur leur habileté à se mouvoir pour survivre. Depuis quelques décennies désormais, et après avoir adopté pour beaucoup d’entre nous un mode de vie sédentaire, les bénéfices pour notre santé de maintenir une activité physique régulière ne sont plus à démontrer.

Les physiologistes soupçonnent depuis longtemps l’existence d’une forme de communication entre le tissu musculaire et le tissu osseux. La proximité physique de ces tissus, le fait que la force musculaire et la masse osseuse déclinent simultanément, ou encore l'habileté de l’os à ressentir et à réagir aux forces mécaniques étaient autant d’indices largement utilisés dans les thérapies manuelles comme la Méthode Bounine®.

Les études récentes menées sur l’ostéocalcine, hormone dérivée de l’os, et sur ses récepteurs répartis dans tout l’organisme, ont fait la preuve de son rôle dans des processus physiologiques tels que la mémoire ou la fertilité masculine. L’ostéocalcine semble donc jouer un rôle prééminent dans des fonctions physiologiques sévèrement affectées par l’âge, comme la force musculaire.

Lors d’un exercice d'endurance (soit 45 minutes d’activité physique) les niveaux de circulation de l’ostéocalcine sont doublés chez le jeune adulte. À partir de la moitié de vie, ces taux déclinent considérablement chez toutes les espèces de vertébrés testées. Enfin, chez les sujets plus âgés, ces taux sont systématiquement moins élevés que chez les jeunes avant l'âge adulte.

Et la conversation chimique entre os et muscles ne s’arrête pas là. Les cellules musculaires squelettiques produisent de la myostatine, une protéine qui leur permet d’éviter de trop grandir, et de limiter également l'accroissement de la masse osseuse. Avec l’activité physique, les muscles produisent aussi une molécule appelée acide β-aminoisobutyrique (BAIBA) qui permet la réponse physiologique en gras et en insuline à l’augmentation de la consommation d’énergie. La professeur Bonewald a démontré que BAIBA  protège aussi les ostéocytes des produits dérivés toxiques du métabolisme cellulaire appelés dérivés réactifs de l’oxygène.

L’activité physique stimule également la production de l’irisine par les cellules musculaires. In vitro, cette molécule est indispensable à la survie des ostéocytes. In vivo, l’irisine aide le processus de remodelage osseux. En retour, l’accroissement de la traction exercée sur l’os pendant l’exercice stimule la production de la prostaglandine E2 par les ostéocytes. Cette prostaglandine permet aux os du squelette de grandir de façon harmonieuse et régulière.

Le rôle de l’os dans la physiologie du cerveau

anatomie os 

En 2012, le professeur Gerard Karsenty collabore avec le professeur en neurobiologie Franck Oury de l’institut Necker pour la publication de nouveaux travaux sur l’ostéocalcine. Leurs travaux portent sur le rôle de l’ostéocalcine dans le développement et le fonctionnement du cerveau, avec la récente identification de ses récepteurs au sein du système nerveux central. Ces études font aussi la démonstration incontestable de l’importance fondamentale de l’ostéocalcine dans la biologie du vieillissement du cerveau.

Chez les souris testées, l'absence de l’ostéocalcine a provoqué un profond déficit dans l’apprentissage spatial, les processus de mémorisation ainsi que dans les comportements d’anxiété. La régulation de la fonction cognitive par l’ostéocalcine, conjoint avec son rôle dans le développement embryonnaire et le déclin de son niveau de circulation après l’adolescence, laisse à penser que l’ostéocalcine est probablement l’hormone anti-dégénérescence qui pourrait prévenir les déficiences dues au vieillissement.

En plus de la nécessité de l’ostéocalcine dans le développement cérébral et les fonctions neurocognitives, les professeurs Karsenty et Oury ont aussi décrit le rôle indispensable de cette hormone pour le développement des cellules précurseures aux oligodendrocytes. Ces derniers sont responsables de la production de myéline, ainsi que de la remyélinisation des axones abîmés, requis impérieux pour l’homéostasie du système nerveux central.

Notre squelette interagit avec nos intestins

 os iliaque anatomie

Nos intestins contiennent autant de cellules microbiennes que le corps contient de cellules à génome humain. Ces millions de milliards de bactéries et autres micro-organismes, le microbiote, fonctionnent comme un organe en soi. Il nous permet de digérer la nourriture et de prévenir la prolifération des bactéries néfastes. Pour assurer au mieux ses fonctions, le microbiote communique avec d’autres organes, dont nos os.

En 2012, la professeur Klara Sjögren et son équipe de l’université de Göteborg ont publié une étude à propos des interactions entre l’os et la flore intestinale. L’expérience menée sur des souris élevées dans un milieu stérile (sans aucun microbe) a révélé que ces animaux avaient moins d’ostéoclastes, et par conséquent une trame osseuse plus dense que la normale.

Mais en leur donnant des probiotiques correspondant au microbiote qu’elles étaient censées avoir naturellement, les masses osseuses des souris sont revenues à la normale à court terme. À long terme, ces mêmes microbes se sont aussi mis à produire des acides à chaînes courtes, sans lesquels le foie et les cellules adipeuses sont incapables de produire l’hormone IGF-1, un facteur de croissance indispensable pour le développement de l’os.

Le microbiote semble aussi modérer un autre signal affectant le tissu osseux : l’hormone parathyroïdienne (PTH) via les glandes parathyroïdes situées à la base du cou. Cette hormone régule le remodelage osseux, autant la destruction que la reconstruction de l’os. Mais encore une fois, en l'absence de microbiote, la PTH ne peut plus promouvoir la croissance osseuse.

Plus précisément, certains microbes intestinaux produisent un acide gras à chaîne courte appelé butyrate, qui facilite cette conversation chimique particulière. En retour, les ostéocytes produisent un facteur de croissance des fibroblastes appelé FGF23, qui inhibe la sécrétion de PTH par les glandes parathyroïdes.

Enfin, la vitamine K est essentielle pour la cristallisation minérale de l’os, notamment pour la fixation du calcium. On peut trouver certaines formes de vitamine K dans des plantes comme le chou cavalier, le chou frisé, les épinards, les navets, le pissenlit ou encore les betteraves. Mais l’essentiel de nos apports en vitamine K est synthétisé par les bactéries de notre flore intestinale. Ainsi, en cas d’empoisonnement par exemple, la croissance osseuse s’arrête aussitôt que le microbiote meurt.

Le tissu osseux régule la fertilité masculine

 systeme osseux

Source image

On connaît depuis longtemps l’influence de la testostérone sur le tissu osseux, en grande partie responsable du dimorphisme sexuel chez les primates. En ce qui concerne les humains, les hommes sont en moyenne 10% plus grands et plus épais que les femmes (soit des os plus grands et plus robustes), et l’ossature de la mâchoire est plus carrée et plus large.

Mais en 2011, le professeur Franck Oury (en collaboration avec G. Karsenty) a publié une étude sur le rôle de l’ostéocalcine dans les fonctions reproductives mâles. Dans cette étude, on y démontre que l’ostéocalcine agît au niveau des cellules de Leydig, dans les testicules, via un type de récepteur qui lui est spécifiquement dédié. Ainsi, indépendamment et en parallèle de l’axe hypothalamo-hypophyso-testiculaire, l’ostéocalcine stimule la biosynthèse de la testostérone via un axe pancréas-os-testis.

La réaction aiguë au stress est induite par notre squelette

Système néphrétique, métabolisme énergétique, fonction musculaire, fonctionnement cérébral et neurocognitif, interactions avec le microbiote et régulation des fonctions reproductives chez les hommes… notre compréhension de la physiologie de l’os s'est considérablement étendue en seulement une vingtaine d’années.

Et ce panel spectaculairement diversifié de fonctions pour une même molécule, l’ostéocalcine, sous-tend l’émergence d’une hypothèse révolutionnaire. Selon le professeur Karsenty, “l’os est potentiellement un organe défini par la physiologie du danger”. En effet, indépendamment de l’axe corticotrope (hypothalamo-hypophyso-surrénalien) toutes ces fonctions sont liées à la réponse au stress que les premiers vertébrés ont développé et entretenu au cours de l’évolution, pour leur survie.

Karsenty propose que les effets de l’ostéocalcine aient pu permettre aux premiers vertébrés, mâles et femelles, de répondre à la vue d’un prédateur en amplifiant leur niveau d’énergie à travers les effets de la testostérone ainsi que la fonction musculaire. Ils étaient alors capables de fuir, et plus tard de se souvenir (et donc d'éviter) l’endroit où ils avaient rencontré cette menace.

On a souvent tendance à ramener le long processus de l’évolution à la notion de survie, ce qui est à la fois vrai et réducteur : la notion de survie au cours de l’évolution est avant tout déterminée par la capacité à sentir le danger. Or, on connaissait déjà les propriétés de l’os pour transmettre les vibrations, indissociables de l’ouïe et de la proprioception. On peut désormais affirmer que l’os est également incontournable en termes de réponse au stress sur les plans métabolique, neurocognitif et musculaire.

Dans son dernier ouvrage, Trouver l’équilibre du corps par l’ostéothérapie Bounine®, Nicolas Bounine évoque page 223, la symbolique de l’os : carapace devenue interne, qui garde sa fonction de protection en sa qualité “d’ordonnateur du mode de réaction au stress” ; avant de conclure par “cette matière vivante qu’est l’Os, n’a donc pas fini de nous surprendre”.