Les Métallo Protéases Matricielles (MMP) en tant qu'endopeptidases à zinc ont une large gamme de fonctions biologiques allant du remodelage tissulaire à la modulation de la réponse cellulaire. Une modification de leur activité protéolytique est souvent associée à de nombreux désordres biologiques. In vivo, ces protéases sont soumises à de nombreuses modifications post-traductionnelles. Elles sont sécrétées sous formes latentes à l'extérieur des cellules pour être ensuite transformées en forme fonctionnelles. Ces dernières sont ensuite inhibées par des inhibiteurs endogènes. En raison de leur sécrétion dans l’espace extra cellulaire, les MMP sous formes actives ont longtemps été considérées comme de simples ciseaux moléculaires capable de dégrader uniquement la matrice extracellulaire. Cependant, le remodelage tissulaire ne constitue pas la fonction unique et encore moins la fonction principale de ces enzymes. Elles peuvent en effet cliver une grande variété de substrats non matriciels et à ce titre sont impliquées dans la progression tumorale, l'immunité et l'inflammation. Pour ajouter une complexité supplémentaire à la biologie des MMP, il a été récemment montré que certaines MMP ont une localisation intracellulaire associée à des fonctions non protéolytiques. Ces observations, mais aussi celles montrant que ces protease participent à la progression de la maladie alors que d'autres ont une fonction protectrice, soulignent la nécessité de mieux documenter leur activation spatiale et temporelle dans divers contextes biologiques.Le profilage protéique basé sur l'activité vise à analyser l'état fonctionnel des protéines dans des échantillons biologiques complexes. À cette fin, des sondes basées sur l'activité (ABP), qui réagissent avec les enzymes en s’appuyant sur leur mécanisme catalytique, ont été développées pour la détection d’enzymes sous formes actives, notamment dans le cas des protéases à sérine et à cystéine. Une sonde basée sur l’activité (ABP) est classiquement composée : i) d’un groupement réactif conduisant à la modification covalente de résidus au sein du site actif de l’enzyme, ii) d’un motif de liaison imposant la sélectivité au groupement réactif et iii) d’un groupement rapporteur permettant la détection des enzymes ciblées. Cette approche ne s’applique toutefois pas aux MMP, pour lesquelles il n’existe pas de résidus nucléophiles conservés au sein du site actif. À cet égard, tous les ABP ciblant les MMP comportent un groupement photo activable qui, sous irradiation UV, favorise la formation du complexe covalent. De telles sondes photo sensibles ont permis de détecter les MMP sous leurs formes actives dans des tissus et des fluides, mais pas chez les animaux vivants au sein desquels l’étape de photo-activation ne peut être réalisé.Dans ce contexte, en nous appuyant sur un contexte structural favorable et en exploitant la chimie de l'acyl imidazole (LDAI) dirigée par un ligand, nous avons identifié une nouvelle série de sondes capables de modifier de manière covalente les MMP sans recourir à la photo-activation. Nous avons ainsi validé la capacité de ces sondes à marquer de manière sélective et efficace la MMP12 humaine in vitro et dans des protéomes complexes. Dans ce dernier cas, jusqu’à 50ng de hMMP12 correspondant à 0,05% du protéome total peuvent être détectés. Nous avons également déterminé l'identité de l’unique résidu modifié de façon covalente au sein du site actif de la hMMP-12 et vérifié que cette modification avait peu d'impact sur l’activité protéolytique de cette dernière. Nous avons démontré que cette approche permettait de détecter des MMP endogènes. Enfin, nous avons étendu cette stratégie de marquage à un panel plus large de MMP.En développant la première stratégie de marquage des formes actives de MMP «sans photo-activation», il semble maintenant possible d’envisager la détection de ces enzymes à la fois dans les protéomes complexes et in vivo. / Matrix MetalloProteases (MMPs) as zinc endopeptidases have a wide range of biological functions, and changes in their proteolytic activity underlie many biological disorders. Since their proteolytic activity has to be tightly controlled to prevent tissue destruction, theses proteases are subjected to numerous posttranslational modifications in vivo. They are secreted under latent forms outside of the cells, and are subsequently processed into their functional form that can be further inhibited by endogenous inhibitors. Due to their delineated area of activation, MMP active forms have long been considered for their unique ability to degrade extracellular substrates. However, turnover and breakdown of the extracellular matrix are neither the sole nor the main function of MMPs. These enzymes can indeed process a wide variety of non-matrix substrates and are involved in the regulation of multiple aspects of tumor progression, immunity and inflammation. To add further complexity to MMPs biology, some members within the family were recently reported to have intracellular localization associated to non-proteolytic functions. These observations but also those evidencing that some MMPs participate in disease progression while others have a protective function, stress the need to better document their spatial and temporal activation in various biological contexts.Activity-based protein profiling (ABPP) aims to analyze the functional state of proteins within complex biological samples. To this purpose, activity-based probes (ABPs) that react with enzymes in a mechanism-based manner have been successfully developed for the profiling of several enzymes including serine and cysteine proteases. A typical Activity-Based probe (ABP) is composed of i) a reactive warhead, which reacts in a covalent manner with enzyme active site residues, ii) a targeting moiety that imposes selectivity upon the reactive group and iii) a detectable group for subsequent analyses. This approach is not applicable to MMPs, which lack a targetable nucleophile involved in the catalysis. In this respect, all ABPs directed to MMPs are affinity-based probes (AfBPs) containing within their structure a photo cross-linking group that promotes the formation of a covalent complex upon UV-irradiation. Such photoactivatable probes have been successfully developed for the detection of MMPs under their active forms in fluids and tissue extracts, but not in living animals where the photo-activation step is not feasible.By relying on a favorable structural context and by exploiting the ligand-directed acyl imidazole (LDAI) chemistry, we have identified a novel series of AfBPs capable of covalently modifying matrix metalloproteases without making use of photo-activation. These active-site-directed probes whose structure was derived from that of a MMP12 selective inhibitor harbored a reactive acyl imidazole in their P3' position. They demonstrated their labelling specificity in vitro by covalently modifying a single Lysine residue within the MMP-12 S3' region. We also showed that these probes only targeted functional states of hMMP-12 and spared forms whose active site was occluded either by a synthetic or a natural inhibitor. We have validated the ability of these chemical probes to efficiently label human MMP12 in complex proteomes. In this case, down to 50 ng of hMMP12 corresponding to 0.05% of the whole proteome can be labelled and detected by in-gel fluorescence analysis. We demonstrated that this approach also allowed detecting endogenous MMPs secreted by stimulated-macrophages. In addition, by modifying the nature of the targeting moiety, we have extended this affinity-labeling approach to six other MMPs.By developing the first “photo activation-free” strategy to covalently modify active forms of MMPs, the unresolved proteomic profiling of native MMPs should be now accessible both in complex proteomes and in preclinical model in which MMPs are potential relevant targets.

Die rheumatoide Arthritis ist eine chronisch-entzündliche Bindegewebserkrankung mit symmetrischem Befall der Gelenke. Die genaue Ätiologie ist bisher unbekannt. Aktivierte synoviale Fibroblasten sollen durch gesteigerte Adhäsion und Produktion von proinflammatorischen Zytokinen und Matrix-lysierenden Proteasen maßgeblich an der Gelenkdestruktion beteiligt sein. Ziel dieser Arbeit war es, ein neues in-vivo-Knorpeldestruktions-Modell zu etablieren, in welchem unter immunkompetenten Bedingungen, die Invasion und Destruktion von Gelenkknorpel durch die Fibroblasten-Zelllinie LS48 über einen längeren Zeitraum simuliert werden kann. Die am Institut für klinische Immunologie der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig etablierte Zelllinie LS48 wurde in die ipsilateralen Kniegelenke von BALB/c-Mäusen injiziert. Die dadurch induzierte Gewebsdestruktion wurde über zehn Wochen in zweiwöchigem Abstand histopathologisch beurteilt und klassifiziert. Als vergleichende Fibroblasten-Zelllinie wurden nicht-invasive NIH/3T3-Zellen eingesetzt. An Hand der Score-Parameter Zellinvasion, Pannusformation und Knorpeldestruktion wurde eine mäßige bis schwer-wiegende Gewebsdestruktion durch die LS48-Zellen bereits ab der zweiten Untersuchungswoche lichtmikroskopisch nachgewiesen, ohne dass dabei pathologische Effekte in den kontralateralen Kniegelenken aufgetreten sind. Polarisationsmikroskopisch wurden für den Parameter Knorpeldestruktion vergleichbare Ergebnisse erzielt. Damit wurde gezeigt, dass das Modell BALB/c LS48 ein erfolgversprechendes Instrument darstellt, das zur Testung neuer therapeutischer Strategien gegen die Gelenkdestruktion verwendet werden kann. Inwieweit die Auseinandersetzung der LS48-Zellen mit dem spezifischen Immunsystem der BALB/c-Maus Auswirkungen auf den Verlauf der Gewebsdestruktion hat, sollte in weiterführenden Experimenten untersucht werden.

Die rheumatoide Arthritis ist eine chronisch-entzündliche Bindegewebserkrankung mit symmetrischem Befall der Gelenke. Die genaue Ätiologie ist bisher unbekannt. Aktivierte synoviale Fibroblasten sollen durch gesteigerte Adhäsion und Produktion von proinflammatorischen Zytokinen und Matrix-lysierenden Proteasen maßgeblich an der Gelenkdestruktion beteiligt sein. Ziel dieser Arbeit war es, ein neues in-vivo-Knorpeldestruktions-Modell zu etablieren, in welchem unter immunkompetenten Bedingungen, die Invasion und Destruktion von Gelenkknorpel durch die Fibroblasten-Zelllinie LS48 über einen längeren Zeitraum simuliert werden kann. Die am Institut für klinische Immunologie der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig etablierte Zelllinie LS48 wurde in die ipsilateralen Kniegelenke von BALB/c-Mäusen injiziert. Die dadurch induzierte Gewebsdestruktion wurde über zehn Wochen in zweiwöchigem Abstand histopathologisch beurteilt und klassifiziert. Als vergleichende Fibroblasten-Zelllinie wurden nicht-invasive NIH/3T3-Zellen eingesetzt. An Hand der Score-Parameter Zellinvasion, Pannusformation und Knorpeldestruktion wurde eine mäßige bis schwer-wiegende Gewebsdestruktion durch die LS48-Zellen bereits ab der zweiten Untersuchungswoche lichtmikroskopisch nachgewiesen, ohne dass dabei pathologische Effekte in den kontralateralen Kniegelenken aufgetreten sind. Polarisationsmikroskopisch wurden für den Parameter Knorpeldestruktion vergleichbare Ergebnisse erzielt. Damit wurde gezeigt, dass das Modell BALB/c LS48 ein erfolgversprechendes Instrument darstellt, das zur Testung neuer therapeutischer Strategien gegen die Gelenkdestruktion verwendet werden kann. Inwieweit die Auseinandersetzung der LS48-Zellen mit dem spezifischen Immunsystem der BALB/c-Maus Auswirkungen auf den Verlauf der Gewebsdestruktion hat, sollte in weiterführenden Experimenten untersucht werden.:Bibliographische Zusammenfassung II Inhaltsverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis IV 1 Einleitung 1 1.1 Rheumatische Erkrankungen 1 1.2 Die rheumatoide Arthritis 2 1.2.1 Immunologische Grundlagen der rheumatoiden Arthritis 2 1.2.1.1 Hypothese der Fibroblasten-Abhängigkeit 3 1.2.1.2 Hypothese der T-Zell-Abhängigkeit 4 1.3 Allgemeine Anatomie und Histologie des Kniegelenks 6 1.4 Die Histopathologie der rheumatoiden Arthritis 9 1.4.1 Verschiedene Synovialmembrantypen bei rheumatoider Arthritis 10 1.5 Tiermodelle zur Untersuchung der rheumatoiden Arthritis 11 1.5.1 Das Tiermodell der Fibroblasten-induzierten Gelenkdestruktion in der BALB/c-Maus 12 1.6 Histopathologische Score-Systeme der rheumatoiden Arthritis in Tiermodellen 13 1.7 Ziel 13 1.7.1 Fragestellungen 14 2 Material und Methoden 16 2.1 Zelllinien und Versuchstiere 16 2.1.1 Die Fibroblasten-Zelllinie NIH/3T3 16 2.1.2 Die Fibroblasten-Zelllinie LS48 16 2.1.3 Die BALB/c-Maus 17 2.2 Tierversuchsplan 18 2.3 Zellkultur 19 2.3.1 Geräte und Verbrauchsmaterialien 19 2.3.2 Reagenzien 20 2.3.3 Durchführung 21 2.4 Isolation der murinen Kniegelenke 22 2.5 Histologische Aufarbeitung 23 2.5.1 Geräte und Verbrauchsmaterialien 23 2.5.2 Reagenzien 24 2.5.3 Entkalkung, Entwässerung, Einbettung und Schneiden der Präparate 26 2.5.4 Azanfärbung nach Heidenhain (Kernechtrubin-Anillinblau-Orange G-Färbung) 27 2.6 Klassifikation mit dem Durchlichtmikroskop für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (Balb/c-LS48) 29 2.7 Klassifikation mit dem Polarisationsmikroskop für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (Balb/c-LS48) 29 2.8 Statistik 30 3 Ergebnisse 31 3.1 Score-Erhebung mit dem Lichtmikroskop für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (BALB/c-LS48) 31 3.1.1 Bewertungsmodus für den Score-Parameter Zellinvasion 32 3.1.2 Bewertungsmodus für den Score-Parameter Pannusformation 35 3.1.3 Bewertungsmodus für den Score-Parameter Knorpeldestruktion 38 3.2 Datenanalyse der lichtmikroskopisch untersuchten Parameter Zellinvasion, Pannusformation und Knorpeldestruktion für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (BALB/c-LS48) 41 3.2.1 Zellinvasion 41 3.2.2 Pannusformation 45 3.2.3 Knorpeldestruktion 48 3.2.4 Gesamtscore 51 3.3 Score-Erhebung mit dem Polarisationsmikroskop für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (BALB/c-LS48) 56 3.3.1 Bewertungsmodus für den Score-Parameter Knorpeldestruktion 56 3.4 Datenanalyse des polarisationsmikroskopisch untersuchten Parameters Knorpel-destruktion für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (BALB/c-LS48) 59 3.5 Statistischer Vergleich der licht- und polarisationsmikroskopischen Analysemethoden für den Parameter Knorpeldestruktion 62 3.6 Statistischer Vergleich der medialen und lateralen histologischen Sagittalschnitte der Kniegelenke 63 4 Diskussion 64 4.1 Die Bedeutung der histopathologischen Score-Parameter für das Modell der Fibroblasten-induzierten Gelenkdestruktion in der BALB/c-Maus 65 4.1.1 Der Score-Parameter Zellinvasion 65 4.1.1.1 Die pathophysiologische Bedeutung des Score-Parameters Zellinvasion 67 4.1.1.2 Interpretation der lichtmikroskopischen Befunde des Score-Parameters Zellinvasion für die Zelllinie LS48 im ipsilateralen Kniegelenk im Verlauf von zehn Wochen 69 4.1.2 Der Score-Parameter Pannusformation 70 4.1.2.1 Die pathophysiologische Bedeutung des Score-Parameters Pannusformation 71 4.1.2.2 Interpretation der lichtmikroskopischen Befunde des Score-Parameters Pannusformation für die Zelllinie LS48 im ipsilateralen Kniegelenk im Verlauf von zehn Wochen 73 4.1.3 Der Score-Parameter Knorpeldestruktion 74 4.1.3.1 Die pathophysiologische Bedeutung des Score-Parameters Knorpeldestruktion 75 4.1.3.2 Interpretation der lichtmikroskopischen Befunde des Score-Parameters Knorpeldestruktion für die Zelllinie LS48 im ipsilateralen Kniegelenk im Verlauf von zehn Wochen 76 4.1.4 Interpretation des lichtmikroskopisch erhobenen Gesamtscores für das Knorpeldestruktionsmodell (BALB/c-LS48) im ipsilateralen Kniegelenk im Verlauf von zehn Wochen 78 4.1.4.1 Verlaufsvergleich zu anderen Tiermodellen 81 4.2 Die histopathologischen Auswirkungen der Zelllinien LS48 und NIH/3T3 im ipsilateralen Kniegelenk der BALB/c-Maus im Vergleich 83 4.3 Vergleich der medialen und lateralen Sagittalebenen der histologischen Präparate der Kniegelenke 85 4.4 Beurteilung histopathologischer Veränderungen in den kontralateralen Kniegelenken im Verlauf von zehn Wochen 86 4.5 Vergleich der licht- und polarisationsmikroskopischen Untersuchungsergebnisse 87 4.6 Schlussfolgerungen und Ausblick 89 Zusammenfassung 94 Literaturverzeichnis 99 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 116 Eigenständigkeitserklärung VIII Danksagung IX