Odontologie: Dentinogenèse et Odontoblastes

• Le support de cours porte sur l'odontologie, plus précisément sur la dentinogenèse et le rôle des odontoblastes.
• La dentinogenèse est la formation de la dentine par les odontoblastes.

Généralités sur la dentinogenèse

• La dentinogenèse se déroule en deux grandes étapes : la synthèse et la sécrétion de la matrice organique (prédentine), puis le dépôt de minéral sur cette prédentine.

La Dentine

• La dentine est un tissu voisin de l'os, mais avec une structure différente.
• Elle est composée d'environ 70% de minéral (hydroxyapatite carbonatée), 20% de matrice organique (principalement collagène de type I) et 10% d'eau.
• La dentine est parcourue par des dizaines de milliers de tubules parallèles entre eux, allant de la pulpe dentaire jusqu'à la jonction amélo-dentinaire.
  • Ces tubules partent de l'interface entre la pulpe dentaire et la dentine jusqu'à la jonction amélo-dentinaire (entre l'émail et la dentine) et la jonction dentine-cément.

Aspect de la dentine et radio-transparence

• La dentine est visible par transparence à travers l'émail, sauf si l'émail est mal minéralisé.
  • Si l'émail est mal minéralisé, il a un aspect plus opaque et la dentine n'est plus visible.
• Radiographiquement, la dentine est moins minéralisée que l'émail, donc moins radio-opaque, apparaissant plus sombre.
  • La dentine laisse passer plus de rayons X et apparaît plus sombre sur une radiographie.
• La pulpe dentaire, au centre, est non minéralisée et apparaît donc très radio-transparente.
• Le cément est trop fin pour être visible radiographiquement.

Différenciation des odontoblastes

• La différenciation des odontoblastes se déroule à la périphérie de la papille ectomésenchymateuse (PEM) dentaire, sous l'épithélium dentaire interne.
• Les premières cellules à se différencier sont situées au sommet de la future couronne dentaire, et la différenciation suit un schéma temporo-spatial précis.
  • La zone de différenciation est située à la périphérie de la PEM et sous l'épithélium dentaire interne.

Cellules périphériques de la PEM

• Localisées à courte distance de la membrane basale, séparées par quelques microns seulement.
• Elles sont plus ou moins ovalaires, avec un noyau en position centrale, des organites uniformément répartis dans le cytoplasme et un cytosquelette également uniformément réparti.
• Ces cellules ne sont pas polarisées et subissent une différenciation progressive.

La membrane basale

• Membrane d'interposition épithélio-mésenchymateuse composée de 3 parties
• Lamina Densa : Couche épaisse et solide, formant l'armature de la membrane.
• Lamina Lucida : Zone d'attachement de l'épithélium dentaire interne à la lamina densa via les hémidesmosomes.
• Lamina fibro-reticularis : Assure l'attachement de la membrane basale à la PEM grâce aux fibrilles d'ancrage.

Étapes de la différenciation odontoblastique

• 1ère étape : Arrêt de la prolifération cellulaire de certaines cellules de la papille ectomésenchymateuse.
• 2ème étape : Augmentation de la taille des cellules et de la taille des organites (réticulum endoplasmique et mitochondries).
• 3ème étape : Accrochage des cellules aux fibrilles d'ancrage par leur membrane plasmique, ces cellules étant alors appelées pré-odontoblastes.

Polarisation des odontoblastes

• Le noyau s'éloigne de la membrane basale et devient le pôle basal.
• La région opposée, proche des fibrilles d'ancrage, devient le pôle apical.
• Les organites se positionnent en région supra-nucléaire (réticulum endoplasmique et appareil de Golgi).
• Le développement des citernes du réticulum endoplasmique est orienté parallèlement au grand axe de la cellule.
• Les éléments du cytosquelette s'accumulent à proximité des fibrilles d'ancrage, c'est-à-dire au futur pôle sécréteur de la cellule.
  • Accumulation de microtubules, microfilaments et filaments intermédiaires.
• La cellule s'allonge jusqu'à 50 µm et prend une forme de poire.

Formation du prolongement odontoblastique

• Allongement progressif de la cellule dû au recul des corps cellulaires en direction de la PEM.
• La PEM devient la pulpe dentaire lors de la différenciation des premiers odontoblastes.
• Formation de ramifications latérales (par rapport au tronc principal) au niveau du prolongement odontoblastique, puis dans le pôle apical, qui deviendra aussi le prolongement odontoblastique.

Organisation du prolongement odontoblastique

• Cytosquelette abondant.
• Quelques mitochondries de petite taille.
• Au moment de la production et de la maturation de la prédentine, présence de vésicules de sécrétion contenant les constituants de la prédentine et de vésicules d'endocytose contenant les fragments issus de la dégradation partielle de la prédentine.
  • La dégradation partielle de la prédentine se déroule au cours de la maturation.

Formation de la toile terminale (ou barre terminale)

• La toile terminale est localisée à la limite entre le corps cellulaire et le prolongement odontoblastique.
• Elle est composée de filaments d'actine et de vimentine fixés sur la face interne de la membrane plasmique, tissant une toile transversale qui sépare le prolongement du cytoplasme du corps cellulaire.
• Elle agit comme un filtre, maintenant les organites de grande taille dans le corps cellulaire et laissant passer les vésicules de petite taille dans sa partie centrale.
  • La partie centrale de la toile est plus lâche.
• La liaison des odontoblastes entre eux se fait par un complexe de jonction circulaire intercellulaire constitué de nombreuses jonctions adhérentes et de quelques jonctions serrées.

Formation de la couche odontoblastique

• L'apparition de jonctions serrées et communicantes entre les odontoblastes et les cellules ectomésenchymateuses situées sous la couche odontoblastique permet la création d'un réseau tridimensionnel au sein de la dentine, assurant un échange d'informations sur les modifications de l'environnement.
• La couche odontoblastique est une couche cellulaire cohésive créée par les jonctions inter-odontoblastiques, isolant la pulpe du compartiment extra-cellulaire.
• La zone proche de la membrane basale, où sera déposée la prédentine, est appelée compartiment prédentinaire.
• Les liaisons entre les odontoblastes se font par un complexe de jonction circulaire intercellulaire constitué de nombreuses jonctions adhérentes et de quelques jonctions serrées.

Différenciation fonctionnelle en odontoblastes sécréteurs

• Les constituants de la prédentine sont d'abord sécrétés entre les fibrilles d'ancrage, puis autour des prolongements.
• Le dépôt des ces constituants est constant durant toute la vie de l'odontoblaste, mais ralenti après l'éruption de la dent sur l'arcade.

Maturation de la prédentine

• Elle se déroule avec une minéralisation dans la partie la plus éloignée du corps cellulaire, entre les fibrilles d'ancrage, formant le manteau dentinaire.
• Elle débute lorsque la prédentine a atteint une épaisseur suffisante de 20 à 30 microns et nécessite la présence d'ions phosphate et d'ions calcium apportés par les vésicules matricielles.

Front de minéralisation

• Zone à l'interface entre la prédentine non minéralisée et le manteau dentinaire minéralisé.

Gradient temporo-spatial de différenciation des odontoblastes

• L'agrandissement du prolongement cellulaire est lié au dépôt continu de prédentine repoussant les corps cellulaires odontoblastiques vers le centre de la pulpe et entraînant un accroissement du tubule dentinaire.
• Le gradient spatial de différenciation des odontoblastes débute au sommet de la future couronne et progresse en direction apicale sous l'épithélium dentaire interne (EDI).
• Le gradient temporel de différenciation des odontoblastes est lié au stade de la cloche.

Début de la différenciation des odontoblastes

• Il se caractérise par la présence du réticulum étoilé, du stratum intermédium et de l'épithélium dentaire interne (EDI).
• Les préodontoblastes s'accumulent sous la membrane basale au début puis au sommet.
• Les odontoblastes sécrètent la dentine et la pulpe dentaire.

Structure de la dentine humaine

• La dentine est structurée par des milliers de tubules parallèles entre eux conférant une grande perméabilité, accrue par la formation de tubules secondaires situés sur les ramifications du prolongement.
• En coupe histologique, les tubules apparaissent alignés parallèlement, parcourant la dentine depuis la couche odontoblastique jusqu'à la couche amélo-dentinaire, et présentent les prolongements odontoblastiques au sein des tubules dentinaires.
• En microscopie électronique, on observe une trame collagénique autour des prolongements odontoblastiques, avec des tubules d'environ 2,5 micromètres de côté et une forte densité conférant à la dentine sa grande porosité.

Relation entre les odontoblastes et les cellules de la couche sous-odontoblastique

• Les odontoblastes sont en contact avec les fibroblastes pulpaires par des jonctions serrées et communicantes, avec les cellules endothéliales des capillaires sanguins (qui apportent oxygène et nutriments), et avec les cellules immunitaires pulpaires (notamment les cellules dendritiques qui assurent la protection de la pulpe).
• Certaines fibres nerveuses pulpaires s'insinuent dans les tubules sur une courte distance et interviennent dans la douleur ressentie en cas d'agression sur la dentine ou stimulées par le froid.

Régulation de la différenciation odontoblastique

• La différenciation odontoblastique est un phénomène hautement régulé impliquant l'épithélium dentaire interne et la membrane basale.
• Une expérience de dissociation enzymatique du germe dentaire de première molaire de souris permet de séparer l'organe de l'émail de la PEM.
• Cette expérience a démontré que la différenciation odontoblastique est induite par l'épithélium dentaire interne et contrôlée par la membrane basale interposée entre les deux tissus.

Explications au niveau cellulaire

Expérience:

• Culture de PEM de 1er molaire de souris en présence de molécules spécifique Résultats de l’expérience:
• Rôles cruciaux de molécules spécifiques dans l’induction de la différenciation odontoblastique : TGF-β1 et fibronectine

Rôle de l'épithélium dentaire interne

• Dissociation du germe dentaire de 1er molaire de souris par une enzyme qui détruit la membrane basale (trypsine).
• Culture de la PEM seule n'entraîne pas de différenciation en odontoblastes, quelle que soit la durée de la culture.
• Culture de la PEM réassociée avec l'organe de l'émail permet la formation d'une nouvelle membrane basale entre l'épithélium et l'ectomésenchyme, condition nécessaire à la différenciation des cellules périphériques de la PEM en odontoblastes.
  • La différenciation en odontoblaste survient seulement si la formation de la nouvelle membrane basale a lieu auparavant.

Rôle de la membrane basale

• La trypsine est remplacée par un chélateur du calcium (EDTA) pour séparer l'organe de l'émail de la PEM au niveau de la lamina lucida, en gardant la membrane basale intacte.
• L'information en provenance de l'organe de l'émail est stockée dans la membrane basale, et une fois cette information stockée dans les fibrilles d'ancrage, l'organe de l'émail n'est plus nécessaire à la différenciation odontoblastique.

Molécules constitutives des fibrilles d'ancrage impliquées dans la différenciation odontoblastique (Fibronectine)

• Glycoprotéine impliquée dans l'adhésion des cellules à la matrice extra-cellulaire.
• L'immunolocalisation de la fibronectine dans un germe dentaire au moment de la polarisation odontoblastique montre des fibrilles d'ancrage fortement marquées par la fibronectine.

Action de la fibronectine dans la régulation de la polarisation odontoblastique

• La fibronectine entoure complètement les cellules ectomésenchymateuses périphériques et s'accumule progressivement dans les fibrilles d'ancrage.
  • La fibronectine s'accumule progressivement dans les fibrilles d'ancrage lorsque les cellules ectomésenchymateuses se rapprochent de la membrane basale.
• L'apparition d'un récepteur de la fibronectine dans la membrane plasmique des cellules ectomésenchymateuses (proche de la membrane basale) permet l'accroche des cellules aux fibrilles et déclenche le phénomène de polarisation.
• La fibronectine est nécéssaire à la polarisation, une expérience de culture de germe dentaire en présence d'un anticorps empêchant la liaison de la fibronectine à son récepteur révèle que l'accrochage des cellules aux fibrilles d'ancrage n'a pas lieu et la polarisation odontoblastique est inhibée.

Rôle du TGF-β1 dans la régulation de la polarisation odontoblastique

• La culture de cellules de la PEM dentaire de souris avec tapis de fibronectine n'engendre pas de polarisation odontoblastique.
• La fibronectine seule n'induit pas la différenciation odontoblastique, elle est nécessaire mais pas suffisante et requiert l'association avec d'autres composants de la fibrille d'ancrage.
• Le TGF-β1 est un facteur de croissance multifonctionnel produit en quantité importante les cellules de l'EDI juste avant et pendant la polarisation et stocké dans les fibrilles d'ancrage de la membrane basale après sécrétion.
• Les récepteurs membranaires du TGF-β1 sont fortement exprimés à la surface des cellules ectomésenchymateuses avant et au moment de leur polarisation.
• Le TGF-β1 est capable d'induire la différenciation odontoblastique, comme démontré par une étude avec des PEM de première molaire de souris, lorsqu'il est associé à la fibronectine au contact des papilles, provoquant la polarisation et l'activité fonctionnelle de la cellule.