Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’arthrose (OA) est un rhumatisme chronique dont la prise en charge médicamenteuse repose principalement sur les antalgiques et anti-inflammatoires, ce qui justifie la nécessité de rechercher d’autres cibles thérapeutiques. L’une de ces cibles potentielles est la galectine 3, une lectine sécrétée dans l’articulation au cours de la pathogenèse de cette maladie. Cette lectine interagit avec ses ligands à la surface des cellules articulaires pour engendrer des réactions inflammatoires et des phénomènes de catabolisme matriciel au niveau des tissus ostéo-articulaires, ce qui en fait une cible intéressante dans le traitement de l’OA. Le 1e objectif de ce projet de recherche est de mieux caractériser les effets biologiques de la galectine 3 sur le métabolisme chondrocytaire. Le 2e objectif est de concevoir des formes tronquées de galectine 3 et le 3e objectif est de démontrer leur potentiel d’inhibiteur de la forme entière de galectine 3 dans l’articulation. Ces travaux montrent que la galectine 3 est un facteur pro-inflammatoire, pro-catabolique mais aussi anti-anabolique dans le chondrocyte. Plusieurs formes tronquées recombinantes de galectine 3 ont été produites. Des tests préliminaires d’activité biologique in vitro démontrent que dans certaines conditions, l’une d’elles inhibe partiellement les effets biologiques de la galectine 3 sur des chondrocytes humains. Ces travaux de recherche constituent la preuve de concept d’un projet global s’inscrivant dans une perspective de thérapie génique pour l’OA / Osteoarthritis (OA) is a chronic rheumatism which drug management is based on antalgic and anti-inflammatory drugs, which requires the need to search for other therapeutic targets. One of these potential targets may be galectin 3, a lectin secreted in the joint during the pathogenesis of the disease. This lectin binds its ligands on the surface of the joint cells and thus, leads to inflammatory reactions and matrix catabolism phenomena, making it an attractive target in the treatment of OA. The 1st aim of our research project was to characterize the biological activity of galectin 3 on chondrocyte metabolism. The 2nd aim was to design and produce several truncated forms of galectin 3. The 3rd aim was to evaluate the presumed galectin 3-inhibiting activity of the truncated forms. This objective is part from the perspective of gene therapy for OA. Our work shows that galectin 3 is a proinflammatory, procatabolic but also an antianabolic factor in chondrocytes. Several recombinant truncated forms of galectin 3 were designed and produced. Preliminary tests of biological activity in vitro show that the chosen truncated lectin partially inhibits the biological activity of galectin-3 on human chondrocytes under a few conditions. This work is the proof of concept of a broader project of which perspective is gene therapy in OA

L'importance de l'os sous-chondral dans la pathogenèse et la prise en charge de l'arthrose intéresse les cliniciens et la communauté scientifique. En effet, il existe des liens forts entre l'os sous-chondral et le cartilage, maintenant l'intégrité de ce dernier reposant sur l'os sous-chondral pour fournir un support mécanique et un soutien nutritionnel. Ici, nous avons étudié la relation entre les structures osseuses et cartilagineuses et l'approvisionnement vasculaire dans l'arthrose de la humaine.Nous avons recueilli 37 plateaux tibiaux arthrosiques prélevés après arthroplastie totale du genou. Dans ces mêmes plateaux, plusieurs carottes ont été prélevées et scannés par microtomographie. Les projections résultantes ont été reconstruites, puis segmentées manuellement pour séparer l'os sous-chondral de l'os trabéculaire et une analyse microarchitecturale a été développée sous les deux structures osseuses. Les échantillons ont été décalcifiés, coupés en sections de 16 heures, colorés dans de l'HES et classés en 6 groupes selon l'échelle OARSI. La surface de l'os sous-chondral et l'épaisseur et la surface du cartilage articulaire ont été cultivées. Le nombre de vaisseaux dans le sous-chondral a été compté par deux opérateurs différents et une coloration immunofluorescente avec du VEGF a été effectuée. Enfin, le cartilage, l'os sous-chondral et trabéculaire ont été utilisés pour mesurer les marqueurs ribonucléiques et protéiques liés à la vascularisation, l'innervation et l'inflammation.La microstructure de l'os a évolué au fur et à mesure que l'arthrose s'aggrave. L'os sous-chondral s'est épaissi et est devenu plus poreux. La fraction volumique osseuse, l'épaisseur trabéculaire, l'espacement et le nombre de trabécules ont été corrélés positivement avec le score OARSI. Une diminution significative du nombre de vaisseaux sanguins a été observée au dernier stade de l'arthrose. Enfin, les marqueurs ribonucléiques et protéiques liés à la vascularisation, à l'innervation et à l'inflammation ont été modulés au cours du développement de la pathologie. Pris ensemble, nos données montrent une interaction et des structures de soutien dynamiques entre l'os sous-chondral et le cartilage. La compréhension des voies de signalisation, l'unité biochimique du cartilage dans les articulations et la communication intercellulaire entre le cartilage et l'os sous-chondral peuvent mener à l'élaboration de stratégies plus efficaces pour traiter les patients souffrant d'arthrose. / The importance of subchondral bone in the pathogenesis and management of osteoarthritis retain the interest of clinicians and the scientific community. Indeed, there are strong links between the subchondral bone and the cartilage, maintaining the integrity of the latter resting on the subchondral bone to provide mechanical and nutritional support. Here, we investigated the relationship between bone and cartilage structures and vascular supply in human osteoarthritis.We collected 37 osteoarthritic tibial plates taken after total knee arthroplasty. In these same plates, several carrots were removed and scanned by microtomography. The resulting projections were reconstructed, then manually segmented to separate the subchondral bone from the trabecular bone and a microarchitectural analysis was done on both bone structures. The samples were decalcified, cut into 4 μm sections, stained in HES and classified into 6 groups according to the OARSI scale. The surface of the subchondral bone and the thickness and surface of the articular cartilage were measured. The number of vessels in the subchondral region was counted by two different operators and a VEGF immunofluorescent staining was performed. Finally, cartilage, subchondral and trabecular bone were used to measure ribonucleic and protein markers related to vascularization, innervation and inflammation.The microconstructure of the bone has evolved as osteoarthritis worsens. The subchondral bone has thickened and become more porous. Bone volume fraction, trabecular thickness, spacing and number of trabeculae were positively correlated with the OARSI score. A significant decrease in the number of blood vessels was observed in the last stage of osteoarthritis. Finally, ribonucleic and protein markers related to vascularization, innervation and inflammation were modulated during the development of the pathology. Taken together, our data show dynamic interaction and support structures between subchondral bone and cartilage. Understanding of signaling pathways, the biochemical unity of cartilage in the joints and intercellular communication between cartilage and subchondral bone can lead to the development of more effective strategies for treating patients with osteoarthritis.

Les traumatismes au genou, tels que les ruptures du ligament croisé antérieur, sont particulièrement fréquentes lors de la pratique d’un sport ou d’une activité physique. La conséquence à moyen ou long terme est l’apparition d’une arthrose précoce. Si l’activité physique peut être indirectement la cause du développement de cette pathologie, elle constitue également une forme de thérapie non pharmacologique. Les effets de l’exercice seront étudiés aussi bien chez l’homme que chez l’animal, à différents stades du développement de l’arthrose sur des paramètres variés. La gonarthrose est une maladie qui se caractérise par de nombreuses modifications des structures de l’articulation du genou. Ainsi, l’os sous chondral est particulièrement implique dans l’initiation ou la progression de l’arthrose. Les méthodes de diagnostic classiquement employées seront complétées par l’analyse de l’organisation des travées osseuses, par l’analyse de la densité minérale osseuse, par l’analyse microscopique de l’ostéocyte et des lacunes dans lesquelles il se trouve. Nos résultats démontrent que l’exercice a des effets positifs sur l’os sous chondral avec un meilleur contrôle de la minéralisation probablement via une augmentation de la viabilité des ostéocytes. / Knee injuries, such as anterior cruciate ligament rupture, occur frequently in sport or exercise. Mid-term or long-term consequence is an early osteoarthritis. If physical activity can be indirectly the cause of development of this disease, it is also a form of non-pharmacological therapy. The effects of exercise will be studied both in humans and animals at different osteoarthritis severity stages on various parameters. Knee osteoarthritis is a disease that is characterized by many changes in the structure of the joint. Thus, the subchondral bone is particularly involved in the initiation or progression of osteoarthritis. Diagnostic methods usually employed, will be complemented by the analysis of trabecular bone organization, analysis of bone mineral density, microscopic analysis of osteocytes and their lacunae in which they are embedded. Our results show that exercise has positive effects on subchondral bone with better control of the mineralization probably through an increase in the viability of osteocytes.

Nous avons évalué l'apport de l'analyse de la texture de radiographies de l'os trabéculaire sur le diagnostic de l'ostéoporose et sur le pronostic de l'arthrose. Tout d'abord, la combinaison de la densité minérale osseuse et de l'analyse de texture de la microarchitecture osseuse a été étudiée dans la perspective d'améliorer la détection des fractures ostéoporotiques. La texture a été analysée avec le paramètre fractal H et le TBS (Trabecular Bone Score) calculés sur des régions d’intérêt de radiographies du calcanéum et de densitométries osseuses aux vertèbres, respectivement. L'information supplémentaire apportée par l'analyse de texture a permis de discerner des femmes avec des fractures de fragilité dans le groupe des patientes non ostéoporotiques. Dans un second temps, des techniques de prétraitement ou de filtrage des images ont été exploitées afin d'améliorer l'analyse de la texture osseuse. L'une des dernières méthodes de décomposition variationnelle a été comparée avec des techniques classiques de filtrage. Les prétraitements améliorent certaines caractéristiques de texture, mais parmi celles-ci, le paramètre fractal H était plus robuste puisqu'il restait au même niveau de performance sans nécessiter de prétraitement. Enfin, les capacités prédictives de l'analyse de texture dans la progression de l'arthrose ont été étudiées à partir de radiographies numérisées du genou. La progression de l'arthrose a été évaluée par la variation du score radiographique de Kellgren et Lawrence à 4 ans d'intervalle. La signature fractale et l'entropie mesurées sur le compartiment tibio-fémoral latéral étaient significativement associées à la progression de la gonarthrose. / We have evaluated the added value of trabecular bone radiography's texture analysis to improve osteoporosis diagnosis and osteoarthritis prognosis. Firstly, fracture discrimination by combined Bone Mineral Density (BMD) and microarchitectural texture analysis has been studied. The Spine Trabecular Bone Score (TBS) and calcaneus mean Hurst parameter (H) has been assessed. The texture parameters have helped to classify a subset of non-osteoporotic women into a group with a higher risk of fractures. Secondly, preprocessing or filtering methods have been used to improve bone texture analysis. One of the latest variational decomposition model has been compared to classical filtering methods. Preprocessing improve some texture features but among them the fractal parameter H is more reliable since it doesn't need preprocessing to obtain the same performance. At last, the predictive ability of texture analysis with respect to knee osteoarthritis progression has been studied from digitalized radiography. The progression of knee osteoarthritis has been evaluated by the change in Kellgren and Lawrence scale at 4 years. The fractal signature and entropy assessed on lateral tibiofemoral compartment have been significantly associated with knee osteoarthritis progression.

L'arthrose (OA) est une maladie dégénérative avec un impact remarquable sur la qualité de vie. Pourtant, aucune intervention pharmacologique entièrement appropriée, aucune thérapie biologique ou procédure n'entraînent la dégradation progressive de l'articulation OA. Ici, nous explorons les cellules souches mésenchymateuses (MSC) - précurseurs multi-potentiels de cellules qui peuvent être isolées à partir de différents niveaux de dégradation du cartilage. Nous émettons l'hypothèse que les cellules progénitrices mésenchymateuses (CPM) pourraient servir comme une thérapie potentielle. Le cartilage ostéoarthritique humain a été obtenu de 25 patients subissant un remplacement total du genou et classé en différents niveaux de dégradation. Les niveaux d'expression de l'ARNm de CD105, CD166, Notch 1, Sox9, Acan, Col II A1 et Col I A1 ont été mesurés au jour 0, au jour 14 (2 semaines in vitro) et au jour 35 (après chondrogénèse). Les cellules de toutes les classes d'OA ont augmenté de façon significative les marqueurs MPC de l'ARNm avec expression in vitro. Les cellules proliférées ont exprimées des marqueurs spécifiques aux MPC: CD105, CD166, CD73, CD90, Notch – 1 and Nucleostemin. La chondrogénèse induit une diminution de l'ARNm de CD105, de Notch 1 et de Sox9 seulement dans l'OA légère et modérée. Cependant, seules les pastilles modérées dérivées d 'OA ont révélé des signes de cartilage hyaline élevé - collagène II et faible expression de fibrocartilage - collagène I à la fois au niveau de l’ARNm et de la protéine. Une nouvelle conclusion émerge de nos données et confirme les différences dans les marqueurs MPC entre les différents niveaux de dégradation. Seules les cellules dérivées d 'OA modérées ont été capables de former une matrice hyaline composée de protéoglycanes et de collagène II avec le niveau faible en collagène I fibrocartilagineux. Nos résultats montrent que les CPM provenant d’un cartilage d’un niveau de dégradation modéré ont un fort potentiel d'auto-réparation. / Osteoarthritis (OA) is a degenerative disease with a remarkable impact on quality of life. Yet no fully appropriate pharmacological intervention, biologic therapy or procedure stops the progressive degradation of the OA joint. Herein, we explore mesenchymal stem cells (MSCs)—multipotent precursors of cells that can be isolated from different grades of OA cartilage. We hypothesize that mesenchymal progenitors cells (MPC), could emerge as a potential therapy. Human osteoarthritic cartilage were obtained and scored (according to the OARSI) from 25 patients undergoing total knee replacement. mRNA expression levels of CD105, CD166, Notch 1, Sox9, Acan, Col II A1 and Col I A1 were measured at day 0, day 14 (2 weeks in vitro) and day 35 (after chondrogenesis). Cells from all OA grades significantly increased MPC markers mRNA with in vitro expression. Proliferated cells expressed MPC specific antigens: CD105, CD166, CD73, CD90, Notch – 1 and Nucleostemin. The chondrogenesis induced decrease in CD105, Notch 1 and Sox9 mRNA only in mild and moderate OA. Yet, only moderate OA – derived pellets revealed high hyaline cartilage marker – collagen II and low fibrocartilage marker – Collagen I expression at both mRNA and protein level. A novel finding emerges from our data and confirms differences in MPC markers between OA grades. Only moderate – OA derived cells were able to form hyaline – like matrix composed of proteoglycans and collagen II with law level of fibrocartilaginous collagen I. Further studies that investigate the mechanistic effects of chondrogenic progenitor populations associated with aging and the progression of OA are crucial to our understanding of the clinical relevance of these cells for use in cartilage repair therapies.

ShcA (Src Homology and Collagen A) est une protéine adaptatrice qui se lie à la partie cytoplasmique de LRP1 (Low Density Lipoprotein-related receptor 1), un récepteur transmembranaire qui protège contre l'athérosclérose. La calcification vasculaire est une complication majeure de cette maladie et ses mécanismes ressemblent au processus d’ostéochondrogenèse. Nous avons étudié le rôle de ShcA endothélial dans la formation des lésions d’athérosclérose ainsi que les rôles de ShcA et LRP1 dans la chondrogenèse. ShcA endothélial participe à la formation des lésions d’athérosclérose in-vivo. En inhibant la NOS endothéliale et activant l’expression de ICAM-1 via ZEB1, ShcA favorise l’adhésion des monocytes. La suppression de ShcA dans les chondrocytes a conduit au développement de souris présentant un phénotype de nanisme par une inhibition de la différenciation hypertrophique des chondrocytes. Ceci conduit également à une diminution du développement de l’arthrose liée au vieillissement. La suppression de LRP1 dans les chondrocytes conduit également à un phénotype de nanisme chez la souris, mais par des mécanismes différents. / ShcA (Src Homology and Collagen A) is an adaptor protein that binds to the cytoplasmic tail of the Low Density Lipoprotein-related receptor1 (LRP1), a trans-membrane receptor that protects against atherosclerosis. Vascular calcification is a major complication of this disease and its mechanisms highly resemble the process of osteochondrogenesis. We studied the role of endothelial ShcA in atherosclerotic lesion formation as well as the roles of ShcA and LRP1 in chondogenesis. Endothelial ShcA participates in the formation of atherosclerotic lesions in-vivo. By inhibiting endothelial NOS and activating the expression of ICAM-1 via ZEB1, ShcA enhances monocyte adhesion. The deletion of ShcA in chondrocytes led to the development of mice with a dwarfism phenotype by inhibiting chondrocyte hypertrophic differentiation. This also led to a decrease in the development of age-related osteoarthritis. The deletion of LRP1 in chondrocytes also led to a dwarfism phenotype in our mouse model, but trough different mechanisms.

Les vésicules matricielles (VM) sont impliquées dans l'initiation des minéralisations physiologique ou pathologique. Le pyrophosphate (PPi) est une source de phosphate (Pi) pour maintenir la formation d'hydroxyapatite (HA) mais aussi un inhibiteur de la croissance de ces minéraux. Nous avons montré que la formation d'HA était optimale lorsque le rapport molaire Pi/PPi était supérieur à 140, tandis que du calcium pyrophosphate dihydraté, marqueur de l'arthrose, était exclusivement formé lorsque ce rapport était inférieur à 6. Des analyses protéomiques et en compositions lipidiques sur les VM et les microvillosités des cellules Saos-2 ont révélé que les VM étaient formées dans le réticulum endoplasmique et qu'elles possèdent des lipides et protéines caractéristiques de radeaux lipidiques. Finalement, nous avons montré que les VM sont libérées à partir des microvillosités grâce aux actions coordonnées de protéines dépolymérisant l'actine et de protéines contractiles. Les protéines impliquées dans la biogenèse des VM peuvent être des nouvelles cibles thérapeutiques pour prévenir des calcifications pathologiques.

Thèse de doctorat : Médecine : Nancy 1 : 1999. / 1999NAN19909. Titre provenant de l'écran-titre.

Dans les pathologies ostéo-articulaires, les critères d'évaluation rapportés par les patients (Patient-Reported Outcomes ou PROs) sont désormais les critères de jugement incontournables, réclamés par les autorités sanitaires et les organismes de régulation. La validation de leurs propriétés psychométriques et leur adaptation transculturelle sont donc indispensables pour pouvoir les utiliser dans les essais thérapeutiques internationaux. Ce processus complexe de validation transculturelle permet d'élaborer une version du PRO dans le langage cible qui prenne en considération tous les spécificités socioculturelles et les équivalences linguistiques.Ce travail de thèse a comme problématique la validation transculturelle des PROs spécifiquement développés pour les pathologies du genou et de la hanche. Après avoir explicité les recommandations publiées dans ce domaine puis avoir réalisé une revue de la littérature de la qualité méthodologique des auto-questionnaires disponibles pour ces pathologies articulaires, nous avons entrepris les validations transculturelles du questionnaire KOOS (ou Knee injury and Osteoarthritis Outcome Score), du questionnaire HOOS (ou Hip disability and Osteoarthritis Outcome Score) et de leurs formes réduites (KOOS-PS et HOOS-PS pour Physical function Short form). Ces auto-questionnaires, développés en langue anglaise au cours de la dernière décennie, permettent d'évaluer de manière globale (symptômes, retentissement fonctionnel dans les activités quotidiennes et sportives, qualité de vie) des pathologies du genou ou de la hanche, aussi bien traumatiques que dégénératives. Après traduction et adaptation française selon les recommandations internationales, les versions françaises du KOOS, du HOOS, du KOOS-PS et du HOOS-PS ont ensuite été validées de manière prospective dans des cohortes françaises bi-centriques de patients arthrosiques suivis en milieu rhumatologique et orthopédique. Les résultats de ces travaux, publiés sous la forme de trois articles originaux, démontrent que les propriétés psychométriques des versions françaises de ces questionnaires sont satisfaisantes quelle que soit la sévérité de l'arthrose, en terme de faisabilité, de cohérence interne, de reproductibilité, de validité et de sensibilité au changement (après mise en place de prothèse totale ou viscosupplémentation par acide hyaluronique). Ces PROs capturent des concepts supplémentaires pertinents, comme le retentissement sur les activités sportives ou la qualité de vie, et permettent avec le même outil de mesure le suivi longitudinal de patients, depuis l'atteinte traumatique jusqu'à l'arthrose. Ils améliorent ainsi l'évaluation globale des pathologies du genou et de la hanche. La validation exhaustive, y compris transculturelle, permet à ce jour de considérer les questionnaires KOOS et le HOOS comme des PROS de référence. A ce titre, leur utilisation dans les essais thérapeutiques internationaux doit être encouragée.