Sans os, votre corps serait un sac d’organes glissant. Mais les modèles rigides de squelette que vous avez vus en cours de sciences (ou comme décorations d’Halloween) ne racontent que la moitié de l’histoire. En effet, « le squelette ne se contente pas de vous tenir debout », explique Laura Tosi. Les os sont constitués de cellules vivantes et respirantes. Et ils jouent toutes sortes de rôles importants, explique Laura Tosi, qui dirige le programme de santé osseuse du Children’s National Medical Center à Washington, D.C.
Les minuscules os de l’oreille conduisent les sons qui nous aident à entendre. La moelle osseuse – une substance molle et gélatineuse qui remplit l’intérieur creux des os longs du corps – produit des cellules sanguines, rouges et blanches. Les globules blancs combattent les infections, tandis que les globules rouges transportent l’oxygène dans tout le corps.
Éducateurs et parents, inscrivez-vous à l’antisèche
Mises à jour hebdomadaires pour vous aider à utiliser Science News for Students dans l’environnement d’apprentissage
Et ce n’est qu’un début. Les chercheurs ont découvert que les os « discutent » avec d’autres parties du corps de manière surprenante. En découvrant les secrets du squelette, les scientifiques trouvent des indices qui pourraient les aider à guérir des maladies et même à faire pousser des os de remplacement.
Des cellules appelées ostéoblastes (taches grises formant un ovale) créent un nouveau tissu osseux. Robert M. Hunt/Wikimedia Commons
L’équipe du squelette
La charpente qui donne sa forme à votre corps est étonnamment chargée. « L’os est un organe très dynamique », note Mark Johnson. Il est biochimiste à l’université du Missouri-Kansas City.
Le squelette du corps change constamment. Dans un processus appelé remodelage, les vieux os se décomposent pour que de nouveaux os puissent prendre leur place. Pendant l’enfance, ce processus permet aux os de grandir et de changer de forme. Chez les adultes, le remodelage permet de réparer les dommages et d’éviter que les os ne deviennent fragiles.
Des cellules appelées ostéoclastes décomposent le vieil os par un processus appelé résorption. D’autres cellules appelées ostéoblastes se chargent de fabriquer du nouvel os. Mais la plupart des cellules osseuses appartiennent à un troisième type. Appelées ostéocytes, elles indiquent aux ostéoblastes et aux ostéoclastes ce qu’ils doivent faire. « Si vous pensez au remodelage comme à une symphonie, l’ostéocyte est le chef d’orchestre », explique Johnson.
Pendant l’enfance et le début de l’âge adulte, le corps fabrique plus d’os nouveau qu’il n’en retire. Cela signifie que la masse – ou quantité d’os – augmente. Évidemment, il est difficile de mesurer la masse osseuse avec le reste des tissus du corps dans le chemin. Les médecins évaluent donc la solidité des os en mesurant la densité du minéral dur contenu dans un segment d’os. Plus la densité osseuse est élevée, plus le squelette est solide.
Les cellules appelées ostéocytes, dont l’une est représentée ici, agissent comme des chefs d’orchestre dans une symphonie, donnant des instructions aux autres cellules osseuses. Wikimedia Commons
Pour construire plus d’os, les cellules ont besoin de certains éléments constitutifs. L’un d’eux est particulièrement crucial : le calcium. La solidité des os dépend de ce minéral, présent dans les produits laitiers et de nombreux légumes. Les os servent également de réserve de calcium pour l’organisme, qui l’utilise à de nombreux endroits. Par exemple, le calcium est à l’origine de la réaction chimique qui permet au cœur de battre. Lorsque l’alimentation n’apporte pas assez de calcium, le corps vole ce minéral au squelette. Cela peut affaiblir les os.
Il est également difficile d’avoir des os sains sans suffisamment de vitamine D. Elle aide le corps à absorber le calcium. Mais de nombreuses personnes ont trop peu de vitamine D. En conséquence, leurs os peuvent devenir fins et mal formés.
Pour ce qui est de la formation des os, cependant, « l’exercice est la chose la plus importante », a déclaré Tosi à Science News for Students. Les exercices de port de poids tels que la marche, la course, le saut et le soulèvement de poids sont excellents pour augmenter la masse osseuse. L’exercice fait une telle différence, en fait, que les joueurs de tennis professionnels ont en fait des os plus forts dans le bras qu’ils utilisent pour balancer leur raquette.
L’exercice renforce probablement les os de plusieurs façons, selon le Dr Johnson. Les exercices de mise en charge causent de minuscules dommages aux os. Les ostéoblastes réagissent en formant de l’os nouveau pour réparer les dommages. C’est comme si l’on recouvrait les nids de poule d’une route cahoteuse. Ce repavage permet d’obtenir des os plus denses et plus solides.
Les os, représentés ici sur une radiographie, apparaissent blancs en raison du calcium qu’ils contiennent. Asja/Flickr
Conversations entre les os et les muscles
Mais le pavage de minuscules dommages n’explique qu’une partie des bienfaits de l’exercice sur les os. Au cours des dernières années, l’équipe de Johnson a montré que la voie vers des os plus solides est bien plus complexe. Les scientifiques avaient l’habitude d’examiner uniquement les os pour trouver les réponses, a-t-il dit. Or, il s’avère que les muscles ont aussi leur mot à dire sur le comportement des os.
L’équipe de Johnson, ainsi que des scientifiques d’autres laboratoires, ont découvert des signaux – une sorte de bavardage chimique – qui se produisent entre les deux types de tissus. Les os semblent envoyer des signaux qui affectent le fonctionnement des muscles. Les muscles, à leur tour, envoient des signaux qui modifient le fonctionnement des cellules osseuses.
Les muscles fabriquent des molécules qui influencent les actions des ostéocytes – les conducteurs – a découvert l’équipe de Johnson. (Une molécule est un groupe d’atomes maintenus ensemble par des liaisons chimiques. Les molécules composent tout, des cellules du corps aux blocs de construction des plastiques en passant par les gaz de l’atmosphère terrestre).
Johnson soupçonne les muscles de fabriquer de nombreuses molécules qui influencent les os. Il travaille à les identifier et à déterminer les messages qu’elles envoient aux os. S’il réussit, il sera peut-être possible un jour d’identifier des médicaments ou d’autres traitements qui augmentent le volume de ces messages. Les médecins pourraient ainsi trouver un moyen d’inciter les ostéoblastes à produire davantage de nouveaux os, par exemple. Cela pourrait renforcer l’ensemble du squelette.
Ces traitements pourraient aider à renforcer les os faibles et fragiles. Appelée ostéoporose, cette maladie touche de nombreuses personnes âgées et peut conduire à des os qui se brisent facilement.
Mais cette recherche pourrait également aider les personnes plus jeunes qui ont des maladies qui affaiblissent ou endommagent les os. La maladie des os fragiles en est un exemple. Comme son nom l’indique, les personnes nées avec cette maladie ont des os délicats qui se brisent facilement. A l’heure actuelle, il n’existe aucun remède.
L’ostéoporose est une maladie qui entraîne une posture voûtée, une perte de taille et des os minces et faibles qui se brisent facilement. Les flèches indiquent la croissance des os (à gauche) par rapport à leur rétraction (à droite). Wikimedia Commons
Construire des os en dehors du corps
La possibilité d’ordonner au corps de renforcer ses os pourrait aider les personnes souffrant d’un certain nombre de troubles du squelette. Mais parfois, construire de nouveaux os à partir de rien serait encore mieux. Des scientifiques de l’université Columbia à New York travaillent dans ce sens.
Une motivation est d’aider les personnes atteintes du syndrome de Treacher Collins. Cette maladie entraîne une croissance anormale des os du visage. Les personnes nées avec ce syndrome ont tendance à avoir des pommettes minuscules ou absentes. Cela donne à leur visage un aspect tombant.
Les médecins peuvent remplacer ces os mal formés ou ajouter des os manquants par une intervention chirurgicale. Cela nécessite de voler l’os d’autres parties du corps. Les chirurgiens peuvent découper un morceau d’os de la hanche, par exemple. Après l’avoir façonné en quelque chose qui ressemble à une pommette, ils l’implantent dans le visage.
Ce n’est cependant pas idéal. D’une part, cela endommage la hanche. L’os emprunté peut également être difficile à façonner en une joue ou une mâchoire parfaite.
L’équipe de Columbia fait donc pousser de l’os de remplacement en laboratoire. Tout d’abord, elle crée un échafaudage, ou cadre, à partir d’un os de vache débarrassé de ses cellules vivantes. Ils sculptent l’échafaudage pour qu’il ait la forme d’une version normale et saine de l’os qu’ils veulent remplacer ou ajouter. Ils prélèvent ensuite des cellules souches dans le corps du patient.
Les cellules souches ont la particularité de pouvoir se transformer en de nombreux types de cellules, y compris des os. L’équipe de Columbia récolte les cellules souches à partir de la graisse extraite du patient. Elle applique ces cellules sur l’échafaudage, puis leur fournit les nutriments dont elles ont besoin pour se transformer en cellules osseuses. Après quelques semaines, les chirurgiens implantent l’échafaudage osseux dans le visage du patient.
Là, l’os nouveau continuera à se développer dans l’implant. Au fil du temps, le nouvel os va complètement ronger l’échafaudage. Finalement, il ne restera que les cellules osseuses du patient, a déclaré Sarindr Bhumiratana à Science News for Students. Ingénieur biomédical, il est l’un des chercheurs de Columbia travaillant sur le projet de développement de l’os.
Francis Smith est né avec le syndrome de Treacher Collins, une maladie qui affecte les os et les tissus du visage. Il est photographié à droite en 1978 à l’âge de 2 ans, avant d’avoir subi des interventions chirurgicales. À gauche : Smith tel qu’il apparaît aujourd’hui, après plus de 20 opérations du visage. Il est maintenant un scientifique étudiant les sciences craniofaciales à l’Université de Calgary au Canada. Francis Smith
Pour l’instant, ces chercheurs n’ont cultivé et implanté des os que sur des porcs. Mais ils envisagent bientôt de tester cette technique chez l’homme.
Dans un avenir pas si lointain, les personnes souffrant de déformations faciales pourraient se faire construire de toutes pièces de nouveaux os de la mâchoire ou des pommettes. « La science de l’avenir est passionnante », a déclaré Bhumiratana, « et elle va être amusante ».
Johnson, Bhumiratana et leurs collègues travaillent à arracher encore plus de secrets aux os. Ils espèrent pouvoir bientôt faire sortir ces squelettes du placard.
Mots forts
Ingénieur biomédical Expert qui utilise les sciences et les mathématiques pour trouver des solutions aux problèmes de biologie et de médecine. Par exemple, ils peuvent créer des dispositifs médicaux tels que des genoux artificiels ou trouver de nouvelles façons de produire des tissus à utiliser dans le corps.
moelle osseuse Substance molle et grasse à l’intérieur des os qui produit des cellules sanguines.
Des chercheurs de l’Université Columbia font pousser des os sur mesure dans les réservoirs de couleur grise au centre. Une pompe (à gauche) baigne les cellules osseuses avec des fluides et des nutriments spéciaux (liquide de couleur rouge, à droite) pour les aider à se développer. Sarindr Bhumiratana
masse osseuse Le poids du squelette.
densité minérale osseuse Une mesure de la quantité de calcium et d’autres minéraux emballés dans un segment d’os.
maladie des os fragiles Une maladie génétique présente dès la naissance qui provoque des os faibles et fragiles ; une perte auditive précoce et une petite taille. On pense qu’elle touche 25 000 à 50 000 Américains. Les symptômes peuvent aller de légers à potentiellement mortels.
calcium Un élément chimique nécessaire à la croissance de la plupart des organismes.
molécule Un groupe d’atomes électriquement neutre qui représente la plus petite quantité possible d’un composé chimique. Les molécules peuvent être constituées d’un seul type d’atomes ou de différents types. Par exemple, l’oxygène de l’air est constitué de deux atomes d’oxygène (O2), mais l’eau est constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène (H2O).
ostéoblaste Cellules qui synthétisent le nouveau tissu osseux.
ostéoclaste Cellules qui décomposent et éliminent le vieux tissu osseux.
ostéocyte Type le plus courant de cellule osseuse. Elle dirige les actions des ostéoblastes et des ostéoclastes.
ostéoporose Affection qui provoque des os faibles et fragiles qui se fracturent facilement.
cellule souche Cellule « vierge » qui peut donner naissance à d’autres types de cellules dans l’organisme. Les cellules souches jouent un rôle important dans la régénération et la réparation des tissus.
Tissu Tout type distinct de matériel, composé de cellules, qui constitue les animaux, les plantes ou les champignons.
Syndrome de Treacher Collins Maladie génétique qui affecte le développement des os et des autres tissus du visage. Ce syndrome touche environ une personne sur 50 000, provoquant des déformations faciales et, parfois, une perte d’audition et une fente palatine.
vitamine D Appelée vitamine du soleil, la peau fabrique cette substance chimique lors de l’exposition à certaines longueurs d’onde ultraviolettes de la lumière solaire. La forme fabriquée dans la peau n’est pas active, mais plutôt une forme précurseur qui peut être stockée jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire dans les graisses corporelles. La forme active de cette vitamine est une hormone qui aide les os à absorber le calcium. La forme active joue également un rôle dans la lutte contre de nombreux types de maladies chroniques, de la fonte musculaire et du diabète à certains types de cancer et aux maladies des gencives. Les personnes qui ne passent pas beaucoup de temps à l’extérieur ou qui portent un écran solaire lorsqu’elles le font peuvent ne pas produire des quantités idéales de vitamine D. Peu d’aliments sont naturellement riches en cette vitamine non plus. Les fabricants enrichissent donc en vitamine D certains aliments de consommation courante, notamment le lait et certains jus d’orange.
Trouvailles de mots (cliquez ici pour agrandir pour l’impression)
