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

En vue de contribuer à une meilleure compréhension des atteintes du système musculo-squelettique consécutives à une infection par un arthropod-borne-virus (arbovirus), deux arbovirus ont été étudiés : le virus du chikungunya (CHIKV) et le virus Zika (ZIKV), respectivement de la famille des Togaviridae et des Flaviviridae. Cette étude a été réalisée selon deux axes. Le premier s’intéresse aux atteintes articulaires consécutives à l’infection par le CHIKV. Nous avons mis au point un modèle d’imagerie in vivo reposant sur l’utilisation d’un virus recombinant exprimant la NanoLuciférase. Dans ce modèle, nous démontrons une persistance du signal bioluminescent dans les articulations 34 jours après infection. Par isolement des cartilages articulaires et des cellules constitutives, nous avons pu démontrer que les chondrocytes des cartilages métatarso-phalangiens sont infectés par le CHIKV de manière persistante, suggérant un rôle de réservoir de ces cellules. Les conséquences de l’infection au niveau cellulaire ont ensuite été étudiées in vitro. En utilisant des chondrocytes primaires humains, nous avons confirmé ces observations. De plus, les chondrocytes infectés produisent de nombreuses cytokines, induisant une stimulation du catabolisme du cartilage avec en particulier la synthèse de métalloprotéinases de matrice 3 et 9. De plus, l’infection par le CHIKV provoque la mort des cellules par apoptose, comme démontré par marquage TUNEL et par mesure de l’activité des caspases. Nous avons ensuite étudié les atteintes musculaires et le tropisme cellulaire du ZIKV. Dans un modèle murin, nous avons confirmé la présence de lésions musculaires, et l’utilisation de cellules musculaires primaires humaines a montré la sensibilité des myoblastes à l’infection, les myotubes étant résistants, suggérant un tropisme du ZIKV dépendant de la différenciation cellulaire. Trois souches virales ont été testées, sans relever de différences significatives en termes de cinétique d’infection, de nombre de cellules infectées et de production virale. L’infection des myoblastes entraîne la mort de ces cellules par un mécanisme caspase-indépendant. Des observations en microscopie électronique ont mis en évidence une vacuolisation du cytoplasme suite à l’infection, caractéristique d’une mort cellulaire par paraptose. Une analyse protéomique a démontré que l’infection des myoblastes par une souche asiatique conduit à une modification du protéome s’accentuant entre 24 heures et 48 heures post-infection, avec 225 protéines modulées 24 heures après infection contre 473 après 48 heures, indiquant une activation des voies de synthèse Interferon de type I et l’inhibition des capacités de synthèse des protéines. Ces résultats permettent une meilleure compréhension des atteintes du système-musculo-squelettique par les arbovirus / Musculoskeletal lesions caused by arthropod-borne-viruses (arboviruses) are invalidating for patients and remain poorly understood. In this study, we investigated the development of these manifestations after infection with two arboviruses: chikungunya virus (CHIKV) from the Togaviridae family, and Zika virus (ZIKV) from the Flaviviridae family. The first part of the study focused on arthritis following CHIKV infection. For this purpose, we developed a reporter virus expressing NanoLuciferase and performed experimental infections in a murine model. In vivo, a strong bioluminescent signal indicated viral replication and we observed persistence of the signal in the joints up to 34 days post-infection. By isolating primary murine cells from cartilage, we demonstrated the susceptibility of chondrocytes to CHIKV infection suggesting a role of reservoir of these cells. Furthermore, we investigated the consequences of the infection using in vitro models. We showed that primary human chondrocytes are also susceptible to CHIKV infection, which leads to the production of several cytokines involved in cartilage catabolism and induces apoptosis. In the second part of the study, we studied ZIKV muscular tropism and the associated lesions. Firstly, we confirmed the development of muscular lesions in a mouse model of ZIKA. Then, using human primary muscle cells we observed the infection of myoblasts but not myotubes, suggesting a differentiation-dependent tropism. We compared three viral strains and observed no significant difference in terms of replication, number of infected cells and viral production. Myoblasts infection induced a caspase-independent cells death mechanism and electronic microscope observations revealed intense vacuolization of cytoplasm, suggesting a paraptosis-like cell death. Proteomic analysis revealed that the Asian ZIKV strain modulated protein expression of infected cells with an increased effect after 48 hours. ZIKV-infection induced an important upregulation of biological processes associated with type I interferon and an inhibition of protein synthesis in the infected cells. These results provide valuable information about the mechanisms involved in the development of musculoskeletal lesions during arboviroses

Les protéoglycanes (PGs) jouent un rôle essentiel dans plusieurs processus physiologiques majeurs tels que la signalisation cellulaire, la prolifération et la migration ; ceci grâce aux interactions entre leurs chaînes de glycosaminoglycanes (GAGs) avec des médiateurs solubles et leurs récepteurs. L'initiation de la synthèse des chaînes de GAGs des PGs est catalysée par la xylosyltransferase I (XT-I). Récemment plusieurs études ont montré différentes mutations au niveau du gène de la XT-I associées au syndrome Desbuquois de type II, caractérisée des anomalies ostéoarticulaires. Afin d’étudier le rôle de la XT-I dans le développement ostéoarticulaire, nous avons généré des souris invalidées pour le gène de la XT-I (XT-I KO). L'analyse morphologique des embryons montre que les souris XT-I KO présentent un nanisme prononcé et une hypoplasie frontonasale apparente, indiquant des anomalies du développement ostéoarticulaire. L'évaluation du contenu en PGs a révélé une forte diminution de la synthèse des PGs chez les souris XT-I KO. L'examen des différentes zones chondrocytaires au niveau de la plaque de croissance des os longs a révélé la perte de l’organisation en colonne des chondrocytes prolifératifs et une réduction importante de la zone hypertrophique. Afin d'identifier les mécanismes et les facteurs à l’origine des anomalies squelettiques chez les souris XT-I KO, l'expression de plusieurs gènes impliqués dans le développement du squelette et dans la régulation de la chondrogenèse a été analysée par hybridation in situ à l'aide de la technique RNAscope. Les résultats ont montré une forte expression des marqueurs de l’hypertrophie chondrocytaires suggérant ainsi une maturation précoce des chondrocytes chez les souris XT-I KO. Les embryons XT-I KO montrent également une formation précoce du centre d'ossification secondaire, indiquant une ossification précoce qui participerait aux anomalies de croissance observées chez les souris XT-I KO. L’étude des voies de signalisation impliquées dans la différenciation et la maturation chondrocytaire a révélé une surexpression du récepteur FGFR3 et une activation importante de la signalisation sous-jacente, suggérant ainsi des perturbations de la signalisation du FGF. Compte tenu du rôle important du FGFR3 dans la régulation de la chondrogenèse et de l’ossification endochondrale, ces résultats suggèrent fortement l’implication de la voie de FGF dans le développement des anomalies squelettiques chez les souris XT-I KO et ouvrent la voie pour le développement de de nouvelles thérapeutiques pour le traitement des patients atteints du syndrome Desbuquois de type II. / Proteoglycans (PGs) play an essential role in several major physiological processes such as cell signaling, proliferation and migration; this is mainly due to the interactions between their glycosaminoglycan chains (GAGs) with soluble mediators and their receptors. The initiation of the synthesis of GAG chains of PGs is catalyzed by Xylosyltransferase I (XT-I). Recently several studies have shown that mutations in XT-I gene are associated with Desbuquois syndrome type II which is characterized by skeletal abnormalities. To study the role of XT-I in skeletal development, we generated knockout mice for the XT-I gene (XT-I KO). XT-I KO mice show pronounced dwarfism and apparent frontonasal hypoplasia reflecting abnormalities in skeletal development. Evaluation of PG content revealed a strong decrease in PG synthesis in XT-I KO mice. Analysis of the different chondrocyte zones in the growth plate revealed a loss of columnar organization of proliferative chondrocyte and a significant reduction of the hypertrophic zone. To identify the mechanisms and factors underlying skeletal abnormalities in XT-I KO mice, the expression of several genes involved in skeletal development and in the regulation of chondrogenesis were analyzed by in situ hybridization using RNAscope technique. The results showed a strong expression of markers of chondrocyte hypertrophy thus suggesting early maturation of chondrocytes in XT-I KO mice. The XT-I KO embryos show also a premature formation of the secondary ossification center, indicating a precocious ossification which ultimately leads to the growth abnormalities showed in XT-I KO mice. The study of the signaling pathways involved in differentiation and chondrocyte maturation revealed an overexpression of the FGFR3 receptor and a significant activation of the downstream signaling pathways, thus suggesting disturbances of FGF signaling. Given the important role of FGFR3 in the regulation of chondrogenesis and endochondral ossification, these results strongly suggest the involvement of the FGF pathway in the development of skeletal abnormalities in XT-I KO mice and pave the way for the development of new therapeutics for the treatment of patients with Desbuquois syndrome type II.

L’ostéoarthrose (OA) est une maladie articulaire invalidante caractérisée par la perte de l’intégrité du cartilage articulaire. Les recherches tentent de comprendre les mécanismes moléculaires de la maladie afin de trouver des inhibiteurs efficaces pouvant prévenir la dégradation du cartilage articulaire. Les BMPs (bone morphogenic proteins) jouent un rôle dans le processus pathophysiologique de cette maladie. Cette étude cible le rôle d’un antagoniste des BMPs, le gremlin. Nous avons étudié la régulation de l’expression de gremlin par le clonage et la caractérisation de son promoteur et en déterminant si gremlin pouvait jouer un rôle autre qu’antagoniste des BMP, en affectant l’expression d’autres gènes par l’activation d’une cascade de signalisation dans la cellule. Les résultats ont identifié une région importante dans le promoteur de gremlin qui affecte son activité basale et induite, et ont montré que le gremlin ne pouvait pas affecter l’expression génique et l’activation de signalisation intracellulaire indépendamment des BMPs. Cette étude démontre que le rôle de gremlin dans l’OA en est un essentiellement d’antagoniste des BMPs. / Osteoarthritis (OA) is a disease that affects the integrity of the articular cartilage which leads to serious health issues for many individuals. Research is focused on understanding the molecular mechanisms which lead to this loss in integrity in the hopes of finding a way to turn the tide. The bone morphogenetic proteins (BMPs) have been shown to play a role in the progression of this disease and this study focuses on one of their antagonists, gremlin. We therefore decided to study what affects the expression of this protein through the cloning and characterization of its promoter region. We also studied the role of this protein in the disease, can it influence gene expression and can it initiate a signalling cascade within the cell on its own. The results identified a region important for basal and induced activity of its promoter .The results also demonstrated that the main role of this protein in the progression of OA is through BMP antagonism. Gremlin does not initiate a signalling cascade and affect gene expression on its own.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Articular cartilage represents a primary target for tissue engineering strategies as it does not functionally regenerate within the joint. Many tissue engineering approaches have focused on the in vitro generation of neo-cartilage using chondrocyte-seeded scaffolds. Several studies have reported the morphological appearance of native cartilage, although its functional competence has not been demonstrated. Accordingly, mechanical conditioning has often been introduced to enhance biosynthetic activity of chondrocytes within 3D constructs. However although this strategy has significantly up-regulated proteoglycan synthesis, its effects on the synthesis of the other major solid constituent, type II collagen, has been modest. Analyses of normal joint activities reveal that cartilage is subjected to shear superimposed on uniaxial compression. This complex mechanical state has motivated the design of a biaxial loading system intended for use in vitro to stimulated bovine chondrocytes seeded in agarose constructs. This necessitated the redesign of the construct from cylindrical morphology to accommodate shear loading. The experimental approach was complemented with the development of computational models, which permitted prediction of both cell distortion under biaxial loading regimens and nutrient diffusion within the 3D constructs. An initial study established the profile of proteoglycan and collagen synthesis in free swelling cultures up to day 12. The introduction of dynamic compression (15% strain, 1 Hz for 48 h) enhanced proteoglycan synthesis significantly. In addition, when dynamic shear (10%, 1 Hz) was superimposed on dynamic compression, total collagen synthesis was also up-regulated, within 3 days of culture, without compromising proteoglycan synthesis. Histological analysis revealed marked collagen deposition around individual chondrocytes. However, a significant proportion (50%) of collagen was released into the culture medium, suggesting that it was not fully processed. The overall biosynthetic activity was enhanced more when the biaxial stimulation was applied in a continuous mode as opposed to intermittent loading. The present work offers the potential for a more effective preconditioning of cell-seeded constructs with functional integrity intended for use to resolve defects in joint cartilage.

Every year over 20,000 [3] people die as a result of being in a fire. Although flames have the biggest visual impact, it is usually the smoke produced by the combustion of natural and synthetic materials that causes more damage and claims more lives. The main constituents of smoke, both the particulate matter as well as the hot and toxic gasses, are devastating to the tracheal and lung tissues. The damage caused to the lung and trachea by inhaling this smoke can increase a fire victim's susceptibility to infectious disease significantly [1]. Between 20% and 50% of people who suffer inhalation injury contract pneumonia due to the weakened status of their body's defenses [2] and between 4,800 and 6,400 [1] people die from either pneumonia or other complications. Despite the importance of the inner-lining of the trachea to a burn victim's health and survival, current treatments consist of keeping the patient in a clean environment, supplying fresh oxygen, keeping the airways open, and letting the patient's body heal itself [1]. This treatment is not so much an active healing mechanism; rather it is a passive means of allowing the body to repair itself. The main goal of this work is to develop a minimally invasive technique that will replace lost cells on the inside surface of the trachea as efficiently as possible, actively healing the patient's injury. Ideally, the patient would receive a single treatment and then make a complete recovery on his or her own. The main challenge lies in delivering an even layer of intact cells to the inner-surface of the trachea in such a manner that they will stay in place and will replace the damaged or missing tissue. The overall approach is to spray a suspension, composed of epithelial cells in an aqueous solution of Pluronic F-127 polymer, onto the trachea using a jet atomizer. Because Pluronic F-127 solutions can be liquids at room temperature but gels at body temperature, the role of the polymer will be to immobilize the cells onto the tracheal surface long enough for them to attach and grow.

Skeletal development begins when mesenchymal stem cells migrate, condensate and differentiate into chondrocytes. The chondrocytes differentiate in one of two ways. Either the cells form the cartilaginous template for endochondral ossification or they form the articular cartilage which express proteoglycan 4. The underlying mechanisms for articular cartilage formation are poorly understood. The purpose of this study was to assess the effect of different fractions of synoviocyte-conditioned medium on chondrocyte differentiation. We show evidence that Synovial-like fluid contains a protein which promotes chondrocytes to express proteoglycan 4, thus promoting articular cartilage formation. The synovial-like fluid was fractionized by size exclusion chromatography and reversed phase chromatography and thus, with that method, this manuscript lays the foundations for further research to identify the putative factor. Because of this study, we are now closer in identifying the proteins that promote articular cartilage formation.