L'arthrose (OA) est une maladie articulaire chronique qui résulte de changements complexes dans le phénotype des chondrocytes. La présence de microcristaux contenant du phosphate dans les zones de cartilage lésées suggère que le métabolisme phosphocalcique contribue en partie aux modifications du phénotype chondrocytaire au cours de la maladie. De nombreuses études ont montré que des concentrations élevées en Phosphate Inorganique extracellulaire (ePi) ou en PyroPhosphate Inorganique (ePPi) ont respectivement un effet activateur ou répressif sur la minéralisation du cartilage articulaire. Comme le Fibroblast Growth Factor 23 (FGF23) régule les concentrations de Pi, FGF23 semble être un candidat aux modifications phénotypiques observées dans l'OA. De plus, il a récemment été mis en évidence que l’ePPi prévient la dédifférenciation in vitro des chondrocytes articulaires chez le rat, un effet provoqué par la production de PPi par la protéine Ank. Cela suggère que l’ePPi pourrait être un candidat pour prévenir les modifications du phénotype chondrocytaire. Premièrement, nous avons montré que l’expression de FGF23 est plus importante dans du cartilage lésé que dans du cartilage sain. Sous stimulation croissante de FGF23, les chondrocytes humains OA présentent une expression soutenue des marqueurs d’hypertrophie tels que COL10A1, VEGF et MMP13. Nous avons également démontré que l’expression de MMP13 est fortement dépendante de FGFR1 mais indépendante de Klotho et qu’elle est fortement régulée par la voie MEK/ERK et dans une moindre mesure par la voie PI3K/AKT. Deuxièmement, nous avons montré que FGF23 est produit de façon plus importante au cours de la différenciation des ATDC5 et qu’une stimulation par FGF23 augmente la minéralisation et l’expression des marqueurs d’hypertrophie, et ce, d’autant plus fortement en présence d’une stimulation par du Pi dans ces cellules. Dans la seconde partie, nous avons montré que des chondrocytes humains OA stimulés par du PPi présentent une expression diminuée des composants collagéniques de la matrice et une expression augmentée des MMPs, de la fibronectine et des intégrines. Une stimulation par le PPi active de façon importante la voie p38 et dans une moindre mesure la voie ERK pour réguler l’expression de ses gènes cibles et notamment MMP13 d’une manière Ank indépendante. Enfin, nous avons démontré qu’une stimulation par FGF23 entraine une augmentation de l’expression de Pit-1, ENPP1 et ANK ainsi que la production de PPi par les chondrocytes humains OA. Les résultats obtenus dans cette étude démontrent que le FGF23 permet localement une différenciation des chondrocytes OA vers un phénotype hypertrophique et peut potentiellement être considéré comme un facteur aggravant de l’OA. Contrairement aux données préliminaires chez le rat, le PPi permet un remodelage matriciel des chondrocytes humains OA et pourrait potentiellement contribuer aux effets pro-hypertrophiques du FGF23 / Osteoarthritis (OA) is the most common form of chronic joint disease, characterized by cartilage degeneration that results from complex changes in the chondrocyte phenotype. The presence of phosphate-containing microcrystals in the injured cartilage areas suggests the contribution of the phosphocalcic metabolism in the phenotype switch of chondrocytes during the disease. Numerous studies have shown that elevated concentrations of extracellular inorganic phosphate (ePi) or inorganic pyrophosphate (ePPi) have, respectively, activating or repressive mineralizing effects on articular cartilage. As Fibroblast Growth Factor 23 (FGF23) plays a major role in regulating concentrations of Pi, FGF23 is an attractive candidate to participate in the phenotype switch of the articular chondrocyte observed in OA. Moreover, we recently demonstrated that ePPi also prevents the in vitro dedifferentiation of articular chondrocyte in rats, an effect mostly triggered by Ank-induced release of PPi. This suggests that PPi may be an attractive candidate to prevent the phenotype switch of the articular chondrocyte. Firstly, we showed that FGF23 expression was higher in OA samples than in healthy one. When stimulated with increasing concentrations of FGF23, human OA chondrocytes displayed a sustained expression of markers of hypertrophy such as COL10A1, VEGF and MMP13. We demonstrated further, that MMP13 expression was mainly dependent on FGFR1 and independent of Klotho and was strongly regulated by the MEK/ERK cascade and to a lesser extent by the PI-3K/AKT pathway. Secondly, we showed that FGF23 and FGFRs were produced more importantly during ATDC5 differentiation and that FGF23 stimulation increased hypertrophic markers expression and mineralization in a synergic manner with Pi. In the second part, we showed that human OA chondrocytes stimulated with PPi displayed a decreased expression of collagen components of the matrix and sustained expression of MMPs, fibronectin and integrins. We demonstrated further that PPi stimulation mostly activates p38 pathway and to a lesser extent ERK pathway to regulate the expression of its target genes in an Ank-independent manner. Finally, we demonstrated that FGF23 stimulation increased Pit-1, ENPP1 and Ank expressions and PPi production by human OA chondrocyte. Altogether, the results obtained in this study demonstrate that FGF23 locally promotes differentiation of OA chondrocytes towards a hypertrophic phenotype and may therefore be considered as an aggravating factor for OA. In contrast to previous data obtained in rats, we demonstrated that PPi promotes matrix-remodeling of human OA chondrocytes and might contribute to FGF23 pro-hypertrophic effect

Parmi les facteurs de risque environnementaux de l'arthrose, la consommation de tabac occupe une place importante, mais reste encore controversée. Parmi les 4000 composés présents dans la cigarette, la nicotine est l'une des molécules les plus actives physiologiquement. Au cours de ce travail, nous avons étudié l'impact de la nicotine sur les chondrocytes humains et la prolifération et la différenciation chondrogénique des cellules souches mésenchymateuses de la gelée de Wharton (CSM-GW). Nous avons trouvé que la nicotine aux concentrations utilisées n’a pas d’effet sur la prolifération cellulaire, mais induit une augmentation de l’expression de la métalloproteinase matricielle (MMP13) dans les chondrocytes humains. Ces données suggèrent que la nicotine a un effet pro-catabolique sur les chondrocytes humains, en stimulant la dégradation des composants matriciels. Chez des patients arthrosiques fumeurs, les voies de synthèse et de dégradation des composants matriciels sont plus activées dans les chondrocytes par rapport aux non fumeurs. De plus, la nicotine inhibe la prolifération et la migration cellulaire de CSM-GW, et présente un effet délétère sur la chondrogénèse de CSM-GW. Elle stimule la réaction inflammatoire et la différenciation hypertrophique. Nous avons montré, pour la première fois, l'expression du nicotinic acetylcholine receptor (nAChR), en particulier de la sous unité α7 dans les CSM-GW aux niveaux transcriptionnel et traductionnel. L’effet délétère de la nicotine sur les CSM-GW serait probablement médiée par la sous unité α7 nAChR, De façon intéressante, l’α-Bungarotoxin (α-BTX), inhibiteur spécifique de α7 nAChR, peut réverser cet effet partiellement. En conclusion, nous suggérons que la nicotine pourrait altérer l’ontogenèse du cartilage, et induire potentiellement l’augmentation de la prévalence de l’arthrose chez l’adulte / Among the environmental risk factors for osteoarthritis (OA), tobacco consumption features prominently but is still controversial today. Among the 4,000 compounds present in cigarette smoke, nicotine is one of the most physiologically active molecules. The aim of the study is to measure the impact of nicotine on human chondrocytes and on the proliferation and chondrogenic differentiation of Wharton’s Jelly stem cells (WJ-MSC). We found that nicotine at the concentrations used had no effect on the proliferation of primary human OA chondrocytes, but induced an increase in the expression of matrix metalloproteases (MMP13). It unravels the catabolic effects of nicotine in the joint by stimulating matrix degradation. This result suggests a pro-catabolic effect of nicotine in the joint by stimulating matrix degradation. In smokers, the synthesis as well as the degradation pathways in chondrocytes are stimulated, when compared to no smokers. In addition, the cell proliferation and migration of WJ-MSC were significantly impaired by nicotine, and it also had an adverse effect on the chondrogenesis of WJ-MSC by stimulating the inflammatory response and hypertrophic differentiation. We have shown, for the first time, the expression of the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR), in particular that of the α7 subunit in the WJ-MSC at the transcriptional and translational levels. The adverse effect of nicotine on WJ-MSC was probably mediated by α7 nAChR. Interestingly, α-Bungarotoxin (α-BTX), a specific inhibitor of α7 nAChR, could partially reverse this effect. In conclusion the results show that nicotine has an adverse effect on the ontogenesis of cartilage, and potentially induces an increase in the prevalence of osteoarthritis in adults

L’arthrose est une maladie dégénérative de l’articulation caractérisée par une dégradation du cartilage, une inflammation de la membrane synoviale et un remodelage de l’os sous-chondral. En conditions physiologiques, les chondrocytes, seul type cellulaire du cartilage, sont en hypoxie (≈ 2% d’oxygène). Le cartilage étant un tissu avascularisé, il existe un gradient de concentration en oxygène au sein des différentes couches du cartilage. Lors du développement de l’arthrose, la dégradation du cartilage provoque une rupture de ce gradient, exposant ainsi les cellules des couches profondes à des concentrations en oxygène beaucoup plus élevées et induisant des modifications de leur métabolisme, ce qui induit leur dysfonction. Le syndrome métabolique est défini par un ensemble de perturbations glucidiques, lipidiques et vasculaires menant au développement de maladies cardiovasculaires et au diabète de type 2. Récemment, un lien entre arthrose et syndrome métabolique a été suggéré, introduisant une notion d’arthrose métabolique. Au cours de cette étude, nous nous sommes intéressés au lien entre arthrose, syndrome métabolique et stress oxydant induit par de fortes concentrations de glucose. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les effets in vitro de 25 mM de glucose sur une lignée de chondrocytes humains immortalisés (T/C28a2), en hypoxie (2% d’oxygène) et en normoxie (21% d’oxygène). Nous avons montré que le glucose à 25 mM induisait la production d’espèces réactives de l’oxygène (ERO) et de l’azote, l’activation de la caspase 3, la production d’interleukine 6 (IL-6), la diminution de l’activité lysyl oxydase (LOX), qui est impliquée dans les liaisons de pontage des fibres de collagène et d’élastine, ainsi que l’activation du système thiorédoxine (Trx). Ce dernier est un système de défense anti-oxydant endogène composé de la thiorédoxine, de la thiorédoxine réductase (TR) et de Txnip, qui intervient dans le maintien de l’homéostasie cellulaire en réduisant les protéines oxydées, contrôlant ainsi l’environnement redox des cellules. Les effets du glucose 25 mM ont été observés dans les deux conditions d’oxygène étudiées, cependant la réponse cellulaire en normoxie était plus précoce qu’en hypoxie. Nous avons également pu mettre en évidence un rôle de régulateur négatif de la Trx-1 sur la production d’IL-6 faisant intervenir la voie de signalisation p38MAPK. Dans la deuxième partie de ce travail, nous nous sommes intéressés aux effets de l’apport exogène de resvératrol sur les modifications induites par le glucose à 25 mM. Le resvératrol (3,4’,5-trihydroxystilbène) est un polyphénol de la famille des stilbènes, connu pour ses multiples propriétés anti-oxydantes, anti-inflammatoires, anti-diabétiques et anti-cancer. Nous avons pu observer que le resvératrol à 25 μM était capable de diminuer les effets délétères provoqués par le glucose à 25 mM. Cependant, la biodisponibilité du resvératrol est très limitée, empêchant son utilisation en thérapeutique humaine. Par conséquent, dans la troisième partie de cette étude, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles formulations galéniques de resvératrol (nano-émulsions (NE)) et à leurs effets sur un modèle de cellules endothéliales aortiques bovines (BAEC), sur les T/C28a2 ainsi que sur des chondrocytes humains en culture primaire provenant de cartilage de patients arthrosiques. Nous avons montré qu’une des NE permettait d’augmenter le passage intracellulaire de resvératrol dans les deux modèles étudiés et d’en potentialiser les effets protecteurs contre un stress oxydant. Cette NE s’est également montrée efficace dans le rétablissement de l’activité LOX dans les cellules de patients arthrosiques. En conclusion, nous avons montré que le glucose à 25 mM avait des effets délétères sur les chondrocytes de la lignée T/C28a2 et que l’apport exogène de resvératrol permettait de lutter contre ses effets. (...) / Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease characterized by cartilage degradation, inflammation of synovial membrane and subchondral bone remodelling. Under physiological conditions, chondrocytes - the only cell type found in cartilage - are under hypoxia (around 2% of oxygen). As cartilage is an avascular tissue, an oxygen gradient is established from the superficial to the deeper layers. During OA development, cartilage degradation is responsible for a break in this gradient; consequently, cells from the deepest layers are exposed to higher oxygen concentrations inducing modifications in cell metabolism leading to their dysfunction. Metabolic syndrome (MetS) is defined by a cluster of factors (impairment of glucose and lipid metabolism, vascular dysfunctions…) leading to cardiovascular diseases and type 2 diabetes development. Recently, a link between OA and MetS has been suggested, introducing a notion of metabolic OA. We have focused our study on the link between OA, MetS and oxidative stress induced by high glucose concentrations. In the first part of this study, we have determined the in vitro effects of 25 mM glucose on an immortalized human chondrocyte cell line (T/C28a2), under hypoxia (2% oxygen) and normoxia (21% oxygen). We demonstrated that 25 mM glucose induced radical oxygen species (ROS) and nitric oxide production, caspase 3 activation, interleukin 6 (IL-6) production, decrease in lysyl oxidase (LOX) activity (involved in type II collagen crosslinks), and activation of the thioredoxin (Trx) system. Trx system is an endogenous anti-oxidant system, composed by thioredoxin, thioredoxin reductase (TR) and Txnip; it is involved in cellular homeostasis by reducing oxidized proteins, thereby controlling cellular redox environment. Effects of 25 mM glucose have been observed under both oxygen conditions; nevertheless, cellular response under normoxia underwent earlier than under hypoxia. We have also highlighted Trx-1 as a negative regulator of IL-6 production through p38MAPK signalling pathway. In the second part of this study, we have focused our work on the effects of the addition of an exogenous antioxidant, i.e. resveratrol, on the modifications induced by 25 mM glucose. Indeed, resveratrol (3,4’,5-trihydroxystilbene) is a polyphenol of the stilbene family, known for its multiple anti-inflammatory, anti-oxidative, anti-diabetes and anti-cancer properties. We have observed that 25 μM resveratrol was able to decrease deleterious effects induced by 25 mM glucose. However, resveratrol bioavailability is very low, avoiding its use in human therapeutic strategy. Consequently, in the third part of this study, we have developed new galenic formulations of resveratrol, i.e. nano-emulsions (NEs) and determined their effects on a bovine aortic endothelial cells (BAEC) model, on T/C28a2 cells and also on primary cultures of human chondrocytes from osteoarthritic cartilages. One of our NEs was able to increase resveratrol intracellular passage in both cellular models, and to increase the protective effects of resveratrol against oxidative stress. This NE was also efficient in the normalization of LOX activity in osteoarthritic chondrocytes. To conclude, we have demonstrated that 25 mM glucose induced deleterious effects on chondrocytes of the T/C28a2 cell line, and that an exogenous supply in resveratrol allowed to counteract these effects. Development of a new galenic formulation of resveratrol opens new interesting prospects in human therapeutic strategy against OA associated with MetS.

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L’arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative à l’étiologie complexe et diverse. Les travaux de ces dernières années ont démontré que l’OA est une pathologie affectant tous les tissus de l’articulation incluant le cartilage, la membrane synoviale et l’os sous-chondral. L’OA se traduit par une déstructuration et une perte de fonctionnalité de l’articulation, et est principalement caractérisée par une perte de cartilage articulaire. L’inflammation de la membrane synoviale joue un rôle déterminant dans la progression de l’OA, toutefois elle serait secondaire à la dégradation du cartilage. De plus, l’os sous-chondral est également le siège de nombreuses transformations lors de l’OA. Il est fortement suggéré que ces changements ne correspondent pas seulement à une conséquence, mais pourraient être une cause du développement de l’OA impliquant une communication entre ce tissu et le cartilage. Il est maintenant bien établi que les voies inflammatoires et cataboliques jouent un rôle crucial dans l’OA. C’est pourquoi, nous avons étudié l’implication d’une nouvelle famille de récepteurs membranaires, les PARs, et plus particulièrement le PAR-2 dans les voies physiopathologiques de l’OA. Notre hypothèse est que l’activation de PAR-2 au cours de l’OA est un phénomène majeur du développement/progression de la maladie faisant du récepteur PAR-2 un candidat privilégié pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques ciblant non seulement le cartilage mais aussi l’os sous-chondral. Pour cette étude, nous avons travaillé in vitro avec des chondrocytes (Cr) et des ostéoblastes (Ob) OA respectivement du cartilage et de l’os sous-chondral du condyle fémoral humain. Nos résultats ont démontré que PAR-2 était plus exprimé dans les Cr et les Ob OA que dans les cellules normales. Par ailleurs, PAR-2 est régulé positivement par certains facteurs retrouvés au cours de l’OA comme l’IL-1β, le TNF-α et le TGF-β dans les Cr OA, et par l’IL-1β, le TNF-α et la PGE2 dans les Ob OA. De plus, les principaux facteurs cataboliques et inflammatoires, soit la MMP-1, la MMP-13 et la COX-2 sont produits en quantité plus élevée suite à l’activation du récepteur dans le cartilage OA. De même, l’activation de PAR-2 dans les Ob OA conduit à une production accrue de facteurs pro-résorptifs tels que RANKL, l’IL-6, la MMP-1 et la MMP-9, et à l’augmentation de l’activité pro-résorptive de ces cellules. En outre, dans les deux types tissulaires étudiés, l’activation de PAR-2 augmente l’activité de certaines protéines de la famille des MAPKinases comme Erk1/2, p38 et JNK. Finalement, nous avons conclu notre étude en employant un modèle in vivo d’OA induite chez la souris sauvage et déficiente pour le gène PAR-2. Nos résultats ont démontré que l’absence d’expression et de production de PAR-2 influençait le processus inflammatoire et les changements structuraux affectant à la fois le cartilage et l’os sous-chondral, conduisant à un ralentissement du développement de l’OA. Nos travaux de recherche ont donc permis de montrer que le récepteur PAR-2 est un élément majeur du processus OA en agissant sur les voies cataboliques et inflammatoires du cartilage, et sur le remodelage tissulaire de l’os sous-chondral. Mots-clés : Arthrose, chondrocyte, cartilage, ostéoblaste, os sous-chondral, PAR-2, MMPs, COX, ILs, RANKL, résorption osseuse, MAPKinase, catabolisme, inflammation / Osteoarthritis (OA) is a complex degenerative articular disease. Recent studies have shown that OA is a pathology affecting all the tissues of the joint including the cartilage, the synovial membrane and the subchondral bone. OA is regarded as destruction and a loss of functionality of joint, and is mainly characterized by a loss of articular cartilage. The synovial inflammation also plays a key role in the progression of OA; however, it is believed to be secondary to cartilage degradation. In addition, there are also in the subchondral bone numerous changes which occur during the course of the disease. It is strongly suggested that these changes in subchondral bone are not just a consequence but could be a cause of the development of OA, thus involving a cross-talk between this tissue and the cartilage. It is now well established that inflammatory and catabolic pathways play a crucial role during OA. This is why we have engaged the study of the involvement of a new family of membranous receptors, the PARs, and more particularly PAR-2 during the pathophysiological process of OA. Our hypothesis is that PAR-2 activation during OA course is a major phenomenon for the development/progression of the disease, and that PAR-2 seems a suitable candidate for the development of new therapeutic approaches targeting not only the cartilage but also the subchondral bone. Thus, we have performed in vitro studies on OA chondrocyte (Cr) and osteoblasts (Ob) cells issued respectively from human femoral condyle cartilage and subchondral bone. Our results showed that PAR-2 was expressed at a higher level in the OA Cr and Ob compared to normal cells. Moreover, PAR-2 is found to be positively regulated by some factors present during the course of OA, such as IL-1β, TNF-α and TGF-β in the OA Cr, and IL-1β, TNF-α and PGE2 in the OA Ob. In addition, the main catabolic and inflammatory factors including MMP-1, MMP-13 and COX-2 are enhanced following PAR-2 receptor activation in the OA cartilage. Similarly, the activation of PAR-2 in OA Ob lead to an increased production of pro-resorptive factors such as RANKL, IL-6, MMP-1 and MMP-9, and an increased pro-resorptive activity of these cells. In addition, in both tissue types, PAR-2 activation increases the activity of certain protein MAPKinases family such as Erk1/2, p38 and JNK. Finally, we have performed an in vivo study using an OA induced model in wild-type and PAR-2 gene knock-out mice. Our results demonstrated that the absence of PAR-2 expression and production influenced the inflammatory process and structural changes affecting the cartilage and the subchondral bone, leading to a slowing down of OA development. Our research investigation have bring to light that PAR-2 receptor is a key element during OA process by acting on the cartilage catabolic and inflammatory pathways as well as the tissue remodelling of the subchondral bone. Keywords : Osteoarthritis, chondrocyte, cartilage, osteoblast, subchondral bone, PAR-2, MMPs, COX, ILs, RANKL, bone resorption, MAPKinase , catabolism, inflammation

Introduction: Le principal objectif de cette étude est de mesurer l’effet du GDF-5 sur l’homéostasie du cartilage. Le GDF-5 est un gène de susceptibilité de l’OA faisant partie de la famille des BMPs et qui favorise la synthèse du cartilage. Le but de notre étude a été de déterminer l’effet du GDF-5 sur le métabolisme catabolique ainsi que sur l’équilibre global des chondrocytes, principalement au niveau de l’Aggrécan. Méthode : Des chondrocytes arthrosiques canins et humains OA ont été exposés au GDF-5. L’expression des ARNm et des protéines a été analysée afin d’évaluer la production de l’Aggrécan et le ratio Col-II/Col-I au niveau des facteurs anaboliques et du phénotype. Pour le catabolisme, l’expression et l’activité des aggrécanases ADAMTS-4 et ADAMTS-5 ont été mesurées. Les épitopes NITEGE et CTX-II ont aussi été quantifiés dans le liquide synovial canin après des injections intraarticulaires de GDF-5. Résultats : Le GDF-5 provoque une augmentation de l’activité cellulaire des chondrocytes canins et humains. Pour les ARNm et l’expression protéique, le GDF-5 augmente l’expression de l’Aggrécan alors que les facteurs cataboliques le diminuent. Le phénotype reste inchangé en présence du produit, sauf à haute dose où on augmente le ColI. L’activité des aggrécanases diminue puisque l’épitope NITEGE diminue alors que le CTX-II augmente dans l’articulation. Conclusion : En somme, les facteurs anaboliques du cartilage sont favorisés, alors que les facteurs cataboliques sont diminués par le GDF-5. Cette action double permet d’illustrer l’effet du GDF-5, le classant comme un potentiel médicament modifiant la maladie de l’OA qui mérite d’être étudiée. / Purpose: The objective of this study is to assess the effect of GDF-5 on cartilage homeostasis. GDF-5 is a susceptibility gene for OA and member of the BMP super family. Studies have shown that it can increase expression of anabolic factors in chondrocytes. Therefore, our study indentifies how GDF-5 influences this metabolism and the global homeostasis of chondrocytes, aiming mainly towards Aggrecan. Methods : Osteoarthritic (OA) chondrocytes from canine and human models were exposed to GDF-5. Protein expressions, along with mRNA expression were assessed in order to investigate Aggrecan production and the ratio of Col-II/Col-I, for the anabolic phenotype markers. The aggrecanases ADAMTS-4 and ADAMTS-5 and their global activity were assed for the catabolic factors. The NITEGE and CTX-II epitope were also measured in synovial fluid of Pond-Nuki dogs that received intraarticular GDF-5 injections. Results : GDF-5 increases chondrocyte cellular activity, in our canine and human models. Both mRNA and protein expression of the chondrocytes Aggrecan were increased and the aggrecanases expression and activity were decreased. Collagen ratio did not show a phenotype, except et high dosage where the Col-I production is induced. Aggrecanase activity was lowered while CTX-II was increased. Conclusion : In conclusion, the anabolic cellular activity of OA chondrocytes increases while the catabolic factors decrease in presence of GDF-5. This double action illustrates the global effect of GDF-5, identifying it as a potential disease modifying factor of OA that should be further investigated.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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