En Chine, une grave maladie musculo-squelettique appelée la maladie de Kashin-Beck (KBD) se retrouve distribué sur une large zone géographique. Cette maladie touche plus de deux millions d'individus, notamment dans le centre de la Chine, et il est admis que plus de 30 millions d’individus seraient à risque. Des études géologiques et épidémiologiques ont montré une forte corrélation entre les zones de déficience en Se dans les sols et de KBD. KBD est une ostéoarthropathie, caractérisée par la destruction des chondrocytes du cartilage, très douloureuse et invalidantes, pouvant conduire à des déformations articulaires importantes. Le sélénium (Se) est présent partout dans l'environnement (eau, air, sols) et nos besoins physiologiques en Se sont couverts par notre alimentation quotidienne (eau, céréales). Bien que cet élément trace soit un nutriment essentiel pour la fonction cellulaire normale, ses mécanismes d’action ainsi que les transformations métaboliques de ses composés dans le corps humain ne sont toujours pas bien déterminés. Toutefois, à une dose un peu supérieure à la dose recommandée, il peut, selon la forme chimique ingéré, devenir toxique. Par conséquent, on retrouve le Se en très faible quantité (µg/L) dans l'organisme, ce qui rend difficile sa localisation et l’analyse de son rôle dans le métabolisme. Le Se fait partie de sites biologiquement actifs de protéines impliquées dans les mécanismes antioxydants de défense et le contrôle rédox des réactions intracellulaires. En outre, plusieurs études ont mis en évidence le rôle que joue de Se dans le développement des tissus tels que le cartilage articulaire. Cette action semble être médiée par l'intermédiaire de sélénoprotéines et seraient indirectement impliqués dans la croissance du cartilage normal et l'homéostasie. Aux Etats-Unis, une étude clinique a montré des preuves solides de l’influences d’un déficit en Se dans le métabolisme du cartilage conduisant un environnement favorable à l'apparition et la progression de l'arthrose. Même si le Se n’est pas le seul facteur dans le développement de maladies, il est fort probable que son absence impacte la croissance et le développement du cartilage articulaire. Un modèle in vitro de maturation accélérée du cartilage articulaire (explants) nous a permis d’analyser l'impact du sélénium dans la croissance et le développement de ce tissu. Des expériences biologiques, biophysiques et chimiques ont été réalisées pour comprendre comment la présence de Se affecte l'organisation des tissus. Un schéma récurrent de la distribution du Se dans le tissu a été découvert. Il semble être localisé au niveau des interfaces cellule-matrice, offrant des hypothèses intéressantes pour de futures études sur le rôle potentiel du Se dans la signalisation cellulaire ou transduction mécanique. Des analyses biomécaniques, structurelles et moléculaires ont été faites pour caractériser la matrice extracellulaire du cartilage articulaire traités avec différentes concentrations de Se. Il semble être localisé au niveau des interfaces cellule-matrice, ce qui suggère que le Se joue un rôle dans la signalisation cellulaire ou transduction mécanique. Des analyses biomécaniques, structurelles et moléculaires ont été faites pour caractériser la matrice du cartilage articulaire traités avec différentes concentrations de Se. Nous avons découvert qu’un déficit en Se peut induire à une morphologie proche de celle de l'arthrose lors de la maturation du cartilage immature. Cependant, le rôle exact de ce déficit en Se induisant ce type de phénotype reste inconnu. Ce projet contribue à une meilleure compréhension du Se dans le cartilage tout en montrant les difficultés d’étude du Se dans les milieux biologiques et les techniques permettant d’y répondre, mais aussi souligne l’importance de prendre en compte le Se comme élément important de traitements régénérateurs ou préventifs pour ce types de maladies. / In China, a severe musculoskeletal disease called Kashin-Beck disease (KBD) is largely endemic over a large geographical area. It has been reported that more than 2.5 million people in China suffer from KBD and about 30 million people are at risk. Geological and epidemiological investigations have shown that a strong correlation exists between the location of selenium (Se) deficient soils and the distribution of KBD in the population. The disease is manifested as degradation of the matrix, cell necrosis mainly in the articular and growth plate cartilage, which can result in growth retardation, secondary osteoarthrosis, and disability in daily life. The worst forms of this disease tend to start in childhood, which may lead to dwarfism. Selenium is present everywhere in the environment (water, air, soils) and it is mainly incorporated to the human organism through the daily diet (water, cereals). Although this trace nutriment element is essential for normal cellular function. Most of the selenium-related -functions and pathways remain incompletely understood. Whilst vital for normal function, it is toxic at concentration slightly higher than that required by the body. Consequently, it is present within the organism in parts per billion (microgram per liter) making it difficult to localize and analyze its role in metabolism. Despite being a trace element it is an essential component of antioxidant and anti-inflammatory-related proteins that protect cells against oxidative attack. Furthermore, several studies have exposed the role selenium plays in tissue development such as in articular cartilage. This action seems to be mediated via selenoproteins that are indirectly involved in normal cartilage growth and homeostasis. In the USA, a clinical study has shown strong evidence that Se-deficiency influences cartilage metabolism inducing a favorable environment for the onset and the progression of osteoarthritis. Even if the selenium is not the only factor in the development of degenerative joint disease, it is highly likely that its absence impacts its growth and development of articular cartilage. The main focus of this study was then to understand better the role of Se in the normal metabolic processes of articular cartilage. Cultures of articular cartilage explants were used on a previously validated in vitro model of tissue maturation to analyze the role of selenium in growth and development. Physical and chemical experiments were preformed to understand how the presence of selenium affects tissue organization. It has been possible to determine a fundamental recurrent pattern of Se-distribution in the tissue. It appears to be localized at cell-matrix interfaces and it can be hypothesized that Se plays role in cell signaling or mechanotransduction. Biomechanical, structural and molecular analyses have been made to characterize the extracellular matrix of articular cartilage treated with different concentrations of Se-level. We discovered that Se-deficiency induces morphological changes in the cartilage matrix during the fast maturation-like process, which could be related to degenerative-like morphology of the cartilage. This could potentially be associated with degenerative changes that occur in KBD patient during childhood. This project is a prospective work for a potential future enhancement of the regenerative or preventive treatments for specific musculoskeletal diseases with a metabolic component.

Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont des cellules stromales présentes dans différents types de tissus. En plus de leur capacité à se différencier en plusieurs lignées (chondrocytes, adipocytes et ostéoblastes), les CSM présentent également des propriétés immunosuppressives. Bien que ces mécanismes soient loin d'être entièrement compris, leur capacité immunosuppressive a récemment été démontrée comme étant modulée par des miARN. L'arthrose est la forme la plus courante de maladies articulaires sans traitement curatif et se caractérise principalement par la dégradation du cartilage articulaire, avec des altérations osseuses sous-chondrales et une inflammation synoviale. Les CSM pourraient offrir un potentiel thérapeutique intéressant pour le traitement de l'arthrose.Nos travaux ont montré qu'une injection autologue de CSM d'origine adipeuse (ASC) dans une articulation arthrosique améliore la douleur et les niveaux fonctionnels chez les patients. Nous avons souligné la tolérance immunitaire systémique induite à la suite d'injections intra-articulaires d'ASC. Enfin, nous avons étudié le profil d'expression des miARN des CSM humaines lors de leur stimulation par des cellules mononuclées du sang préalablement activés. Nous avons identifié le miR-29a et le PSAT1 comme de nouveaux candidats pour réguler l'activité immunosuppressive médiée par les CSM. / Mesenchymal Stem Cells (MSCs) are stromal cells present in a number of different tissue types. In addition to their ability to differentiate into multiple lineages (chondrocytes, adipocytes and osteoblasts), MSCs also display immunosuppressive properties. Whilst these mechanisms are far from fully understood, their immunosuppressive capacity has recently been shown to be modulated by miRNAs. OA is the most common form of joint diseases without curative treatment and mainly characterized by the degradation of articular cartilage, with subchondral bone alterations and synovial inflammation. MSC might provide therapeutic potential for treatment of OA.Here, we showed that an autologous injection of adipose-derived MSC (ASC) into an osteoarthritic joint improved pain and function levels in patients. We underscored the systemic immune tolerance induced following intra-articular injections of ASCs. Finally, we investigated the miRNA expression profile of human MSCs upon their stimulation by peripheral blood mononuclear cells. We identified miR-29a and PSAT1 as new candidates to regulate immunosuppressive activity mediated by MSCs.

Problématique. L’arthrose du genou se manifeste davantage chez les personnes âgées de 40 ans et plus. De façon générale, ces personnes arthrosiques souffrent de sédentarité car, la plupart d’entre elles ont trois fois plus de difficulté à marcher et sont cinq fois plus limités dans leurs activités. Il a été prouvé à maintes reprises que l’activité physique, telle que la marche, apportent de nombreux bienfaits pour contrer les symptômes de l’arthrose légère à modérée. Toutefois, la majorité des individus atteints de cette maladie chronique présument que l’activité physique accroît l’intensité de leur douleur. Ils tombent ainsi dans un cercle vicieux, étant donné que l’inactivité mène à une diminution de la mobilité et de l’endurance, ce qui réduit, par conséquent, leur qualité de vie. Objectif. Le projet de recherche consistait à évaluer les stratégies d’application d’une nouvelle approche fondée sur la préférence des participants afin de les encourager à adopter un comportement sain soit, dans ce cas précis, d’améliorer leur adhésion à un programme de marche prouvé efficace chez des personnes âgées atteintes d’arthrose légère à modérée du genou, selon les lignes directrices cliniques du groupe d’experts et de méthodologistes formant le panel d’Ottawa. L’objectif de la thèse doctorale était de promouvoir l’adhésion à un programme de marche étalé sur neuf mois, en utilisant la préférence des participants comme moyen principal d’application des connaissances. Nous voulions donc identifier les facteurs personnels et externes qui semblerait influencer l’adhésion des participants à la marche et évaluer l’effet de la préférence sur l’adhésion et les mesures cliniques (obtention de la préférence, non-obtenue, aucune préférence). Méthodologie. Il s’agissait d’un essai randomisé contrôlé préliminaire étalé sur six mois en plus d’une période de suivi de trois mois. Cet essai clinique à simple insu comportait trois phases de randomisation avec deux groupes parallèles pour chaque randomisation. Les participants sélectionnés ont été, de façon randomisée, affectés à un programme de marche supervisé ou non-supervisé; il convient de préciser que les deux programmes comportaient des paramètres identiques. L’adhésion au programme de marche ainsi que plusieurs autres mesures cliniques et comportementales ont été évaluées aux trois mois. L’identification des facteurs d’adhésion a également été performée. Les analyses statistiques des données comparatives se fondaient sur la comparaison entre les participants qui avaient une préférence et ont été assignés au programme de marche de leur choix, en comparaison avec ceux qui n’ont pas obtenu leur programme préféré. Résultats. Au total, 69 participants qui ont reçu un diagnostic d’arthrose légère à modérée du genou ont été recrutés, dont 50 femmes et 19 hommes (âge moyen de 65,2 ans). Les résultats ont indiqué que les participants qui exprimaient une préférence, soit pour le programme supervisé ou soit pour le programme non-supervisé, et qui ont été assignés à leur programme de choix ont mieux adhéré au programme, et ce, de façon significative (P < 0.05), comparativement à ceux qui n’ont pas reçu leur programme préféré. Une amélioration des mesures cliniques a également été notée, soit au niveau de la perte de poids, de l’état fonctionnel et de l’anxiété, pour la même comparaison. Les résultats semblaient finalement montrer que la probabilité d'adhérer de façon adéquate au programme de marche était plus élevée si le participant était supervisé (trois fois plus élevée), s’il était soutenu par sa famille ou ses amis (quatre fois plus élevée) et s’il n’était pas influencé par son état émotionnel (11 fois plus élevée). Les chances d’adhérer au programme de marche s’avéraient quatre fois plus faibles si le participant avait indiqué un changement dans sa consommation de médicaments et trois fois plus faibles s’il se considérait comme initialement moins actif physiquement (intervalle de confiance à 95%). Conclusion. Cet essai randomisé contrôlé préliminaire a enrichi les écrits scientifiques en contribuant à la meilleure compréhension des principales stratégies visant à promouvoir l’adhésion à long terme aux programmes de marche communautaires, et en considérant la préférence des participants comme une approche novatrice d’application des connaissances. Cette étude exploratrice a permis d’identifier cinq principaux facteurs perçus par cette population pouvant potentiellement influencer l’adhésion, soit la supervision, soutien social, la consommation des médicaments ainsi que le niveau d’activité physique et l’influence émotionnelle. Les résultats semblaient aussi montrer que la préférence doit être considérée et respectée car cette population a tendance à mieux adhérer si elle 1) suit un programme de marche avéré efficace et 2) tout en respectant leurs préférences en termes de mode de supervision. Bref, cette stratégie a permis d’améliorer l’adhésion des personnes âgées atteintes de l’arthrose légère à modérée à un programme de marche avéré efficace, tout en assurant le maintien des avantages cliniques de la marche. Ces résultats pourront guider les professionnels de la santé dans leur pratique clinique afin de mieux identifier les influences positives et les obstacles à l’adhésion à une intervention physique, en adoptant une approche collaborative avec le client.

Ce mémoire porte sur l’étude de pyrophosphates de calcium hydratés (CPP : Ca2P2O7•nH2O), composés rencontrés dans des micro-calcifications pathologiques associées à l’arthrose et, dans certains cas, responsables d’arthropathie destructive. Ces cristaux, présents dans les articulations de patients arthritiques, possèdent un fort potentiel inflammatoire susceptible d’engendrer une dégradation aigüe du cartilage. Cependant, les mécanismes de formation des phases de CPP et d’activation de leur potentiel inflammatoire n’ont pas encore été entièrement décrits. Nous nous sommes intéressés à l’étude des conditions de formation des différentes phases de pyrophosphates de calcium hydratés in vitro ainsi qu’à la caractérisation fine de chacune des phases d’intérêt biologique avec des outils de laboratoire et de grands instruments afin de mieux comprendre leurs propriétés physico-chimiques et d’améliorer leur identification in vitro et in vivo. Dans un premier temps, un protocole de synthèse a été établi permettant la synthèse de quantités importantes de chacune des phases pures de CPP (CPP amorphe, CPP dihydratés monoclinique et triclinique et CPP tétrahydraté). Les conditions de synthèse associées à la formation de chacune de ces phases, pH et température notamment, ont été explorées. Des échantillons purs ont été utilisés comme références pour les différentes études physico-chimiques et structurales qui ont ensuite été menées. Les échantillons de référence ont été caractérisés finement, d’un point de vue structural avec notamment la résolution de plusieurs structures cristallines (diffraction des rayons X et des neutrons, sur poudre et monocristal) mais aussi au travers de différentes analyses spectroscopiques (spectroscopies FTIR et Raman, RMN du solide) et d’analyses de la morphologie des cristaux (microscopies électroniques à balayage et en transmission, diffraction électronique). Chacune de ces analyses complémentaires, couplées à des modélisations ab initio, a permis de préciser les hypothèses suggérant un rôle de la surface des cristaux dans le potentiel inflammatoire de ces phases. Une troisième partie est consacrée à l’exploration de différentes techniques de synthèse mettant en œuvre différents milieux (cristallisation en solution et en gel). Ces expériences ont permis d’établir des comparaisons avec les processus de formation observés in vivo et d’évolution in vitro à haute température des phases de CPP. Finalement des études ex vivo de cartilages calcifiés seront présentées, mettant en évidence les avantages de ces techniques de caractérisation de laboratoire comme outils de diagnostic. Ce travail permet ainsi de préciser les mécanismes physico-chimiques liés aux différentes phases de CPP in vitro et in vivo afin de mieux comprendre la formation de ces phases et leur potentiel inflammatoire associé, tout en améliorant les possibilités de diagnostic des arthropathies microcristallines. / The present work concerns the study of hydrated calcium pyrophosphates (CPP: Ca2P2O7•nH2O), a group of phases detected in pathological microcalcifications and associated with arthritis. These crystals are frequently observed in the synovial fluid of arthritic patients and they were described as having a high inflammatory potential which could induce a severe degradation of cartilage. However, the mechanisms involved in the formation of the CPP crystals and the activation of their inflammatory potential are not fully understood. This work is focused on the study of the synthesis conditions of CPP in vitro and on the fine characterization of CPP phases of biological interest using laboratory equipments and large-scale facilities. The aim of this work was to describe the physico-chemical properties of these materials, including inflammatory potential, and to improve their identification in vivo and in vitro. First, a synthesis protocol was designed for the production of significant amounts of pure samples for each of the CPP phases (amorphous CPP, monoclinic and triclinic dihydrated CPP and tetrahydrated CPP). Different conditions, including pH and temperature, were studied to achieve the synthesis of reference materials. These samples were precisely characterized using complementary techniques to determine their crystalline structures (powder and single crystal X-ray diffraction and neutron diffraction) as well as using spectroscopic (FTIR and Raman spectroscopies, MAS-NMR) and morphologic analyses (SEM, TEM and electron diffraction). These analyses, combined with ab initio modeling, clarified the hypotheses concerning the role of the crystal surface on the adsorption properties of CPP crystals and their inflammatory potential. The third part of this thesis is focused on the study of CPP synthesis conditions, by using different experimental setups to study crystallization in solution and in gel. A comparison with in vivo formation processes and in vitro high temperature evolution phenomena of these phases was established based on the results of these experiments. Finally, ex vivo analyses of pathological cartilage are presented, highlighting the advantages of different laboratory characterizations as medical diagnostic tools. This work contributes to clarify the physico-chemical characteristics of CPP phases in vitro and in vivo, to improve the knowledge on the formation and the evolution of these phases, their properties including inflammatory potential, and to facilitate their identification in vivo.

Au cours de l'arthrose (OA), une différenciation hypertrophique des chondrocytes, une minéralisation du cartilage, une angiogenèse ostéochondrale et un remodelage de l'os sous-chondral sont observés dans l'articulation. L'angiogenèse ostéochondrale pourrait être impliquée dans l'OA mais les mécanismes moléculaires qui la gouvernent restent inconnus. Nous supposons qu'au cours de l'OA, la différenciation hypertrophique des chondrocytes jouerait un rôle clé dans le remodelage de la jonction ostéochondrale et notamment dans l'angiogenèse à travers un déséquilibre entre la production de facteurs angiogéniques et angiostatiques. Un lien entre la différenciation hypertrophique, la vascularisation ostéochondrale et la progression de l'OA a été confirmé dans des cartilages humains. Le potentiel angiogénique des chondrocytes hypertrophiques a été étudié dans un modèle de différenciation hypertrophique de chondrocytes articulaires murins en culture primaire. Les chondrocytes articulaires expriment les marqueurs chondrocytaires (Sox9, Acan, Col2a1), tandis que l'expression des marqueurs de l'hypertrophie (Runx2, OC, Osx) augmente avec la différenciation hypertrophique. Les chondrocytes hypertrophiques sont capables de minéraliser leur matrice. L'expression/production de facteurs angiogéniques (VEGF, bFGF¿) augmentent avec la différenciation hypertrophique alors que celles des facteurs angiostatiques (TSP-1...) diminuent. Une analyse microarray a été réalisée afin d'identifier des cibles innovantes. La différenciation hypertrophique des chondrocytes pourrait participer aux mécanismes physiopathologiques de l'OA en favorisant la vascularisation et la dégradation du cartilage articulaire / Osteochondral angiogenesis is an important step in the remodeling of the cartilage/subchondral bone junction in osteoarthritis (OA). Cellular and molecular stimuli of this angiogenesis are largely unknown. We hypothesize that osteochondral angiogenesis in OA is controlled by hypertrophic chondrocyte differentiation, as it occurs during development and growth (endochondral ossification process). Chondrocyte hypertrophy is detected by osteocalcin immunostaining in human OA knee tissues. OA is evaluated by modified Mankin score and osteochondral angiogenesis by the vascular channels number reaching the articular cartilage. An original model of hypertrophic differentiation of mouse articular chondrocytes in primary culture has been developed in order to study the angiogenic potential of hypertrophic chondrocytes compared to articular ones. Hypertrophic chondrocytes and osteochondral angiogenesis are positively correlated and linked to OA progression. The expression of chondrocyte markers (Sox9, Acan, Col2a1) decreases with hypertrophic differentiation in vitro, whereas Runx2, Osteocalcin and Osterix mRNAs levels significantly increase. Hypertrophic chondrocytes are characterized by strong matrix calcifications. Hypertrophic differentiation stimulates the angiogenic factors expression (VEGF, bFGF…) whereas angiostatic factors (TSP-1, chondromodulin 1…) undergo a decreased expression level. A microarray analysis has been realized in order to identify innovative molecular targets. These results suggest a key role of chondrocyte hypertrophy in osteochondral angiogenesis and thus in the remodeling of the cartilage/subchondral bone junction in OA, leading to cartilage degradation.

Articular cartilage defects represent one of the most challenging clinical problem for orthopedic surgeons and cartilage damage after trauma can result in debilitating joint pain, functional impairment and in the long-term development of osteoarthritis. The lateral cartilage-cartilage integration is crucial for the long-term success and to prevent further tissue degeneration. Tissue adhesives and sealants are becoming increasingly more popular and can be a beneficial approach in fostering tissue integration, particularly in tissues like cartilage where alternative techniques, such as suturing, would instead introduce further damage. However, adhesive materials still require optimization regarding the maximization of adhesion strength on the one hand and long-term tissue integration on the other hand. In vitro models can be a valuable support in the investigation of potential candidates and their functional mechanisms. For the conducted experiments within this work, an in vitro disc/ring model obtained from porcine articular cartilage tissue was established. In addition to qualitative evaluation of regeneration, this model facilitates the implementation of biomechanical tests to quantify cartilage integration strength. Construct harvesting for histology and other evaluation methods could be standardized and is ethically less questionable compared to in vivo testing. The opportunity of cell culture technique application for the in vitro model allowed a better understanding of cartilage integration processes. Tissue bonding requires chemical or physical interaction of the adhesive material and the substrate. Adhesive hydrogels can bind to the defect interface and simultaneously fill the gap of irregularly shaped defect voids. Fibrin gels are derived from the physiological blood-clot formation and are clinically applied for wound closure. Within this work, comparisons of different fibrin glue formulations with the commercial BioGlue® were assessed, which highlighted the need for good biocompatibility when applied on cartilage tissue in order to achieve satisfying long-term integration. Fibrin gel formulations can be adapted with regard to their long-term stability and when applied on cartilage disc/ring constructs improved integrative repair is observable. The kinetic of repairing processes was investigated in fibrin-treated cartilage composites as part of this work. After three days in vitro cultivation, deposited extracellular matrix (ECM) was obvious at the glued interface that increased further over time. Interfacial cell invasion from the surrounding native cartilage was detected from day ten of tissue culture. The ECM formation relies on molecular factors, e.g., as was shown representatively for ascorbic acid, and contributes to increasing integration strengths over time. The experiments performed with fibrin revealed that the treatment with a biocompatible adhesive that allows cartilage neosynthesis favors lateral cartilage integration in the long term. However, fibrin has limited immediate bonding strength, which is disadvantageous for use on articular cartilage that is subject to high mechanical stress. The continuing aim of this thesis was to further develop adhesive mechanisms and new adhesive hydrogels that retain the positive properties of fibrin but have an increased immediate bonding strength. Two different photochemical approaches with the advantage of on-demand bonding were tested. Such treatment potentially eases the application for the professional user. First, an UV light induced crosslinking mechanism was transferred to fibrin glue to provide additional bonding strength. For this, the cartilage surface was functionalized with highly reactive light-sensitive diazirine groups, which allowed additional covalent bonds to the fibrin matrix and thus increased the adhesive strength. However, the disadvantages of this approach were the multi-step bonding reactions, the need for enzymatic pretreatment of the cartilage, expensive reagents, potential UV-light damage, and potential toxicity hazards. Due to the mentioned disadvantages, no further experiments, including long-term culture, were carried out. A second photosensitive approach focused on blue light induced crosslinking of fibrinogen (RuFib) via a photoinitiator molecule instead of using thrombin as a crosslinking mediator like in normal fibrin glue. The used ruthenium complex allowed inter- and intramolecular dityrosine binding of fibrinogen molecules. The advantage of this method is a one-step curing of fibrinogen via visible light that further achieved higher adhesive strengths than fibrin. In contrast to diazirine functionalization of cartilage, the ruthenium complex is of less toxicological concern. However, after in vitro cultivation of the disc/ring constructs, there was a decrease in integration strength. Compared to fibrin, a reduced cartilage synthesis was observed at the defect. It is also disadvantageous that a direct adjustment of the adhesive can only be made via protein concentration, since fibrinogen is a natural protein that has a fixed number of tyrosine binding sites without chemical modification. An additional cartilage adhesive was developed that is based on a mussel-inspired adhesive mechanism in which reactivity to a variety of substrates is enabled via free DOPA amino acids. DOPA-based adhesion is known to function in moist environments, a major advantage for application on water-rich cartilage tissue surrounded by synovial liquid. Reactive DOPA groups were synthetically attached to a polymer, here POx, to allow easy chemical modifiability, e.g. insertion of hydrolyzable ester motifs for tunable degradation. The possibility of preparing an adhesive hybrid hydrogel of POx in combination with fibrinogen led to good cell compatibility as was similarly observed with fibrin, but with increased immediate adhesive strength. Degradation could be adjusted by the amount of ester linkages on the POx and a direct influence of degradation rates on the development of integration in the in vitro model could be shown. Hydrogels are well suited to fill defect gaps and immediate integration can be achieved via adhesive properties. The results obtained show that for the success of long-term integration, a good ability of the adhesive to take up synthesized ECM components and cells to enable regeneration is required. The degradation kinetics of the adhesive must match the remodeling process to avoid intermediate loss of integration power and to allow long-term firm adhesion to the native tissue. Hydrogels are not only important as adhesives for smaller lesions, but also for filling large defect volumes and populating them with cells to produce tissue engineered cartilage. Many different hydrogel types suitable for cartilage synthesis are reported in the literature. A long-term stable fibrin formulation was tested in this work not only as an adhesive but also as a bulk hydrogel construct. Agarose is also a material widely used in cartilage tissue engineering that has shown good cartilage neosynthesis and was included in integration assessment. In addition, a synthetic hyaluronic acid-based hydrogel (HA SH/P(AGE/G)) was used. The disc/ring construct was adapted for such experiments and the inner lumen of the cartilage ring was filled with the respective hydrogel. In contrast to agarose, fibrin and HA-SH/P(AGE/G) gels have a crosslink mechanism that led to immediate bonding upon contact with cartilage during curing. The enhanced cartilage neosynthesis in agarose compared to the other hydrogel types resulted in improved integration during in vitro culture. This shows that for the long-term success of a treatment, remodeling of the hydrogel into functional cartilage tissue is a very high priority. In order to successfully treat larger cartilage defects with hydrogels, new materials with these properties in combination with chemical modifiability and a direct adhesion mechanism are one of the most promising approaches. / Gelenkknorpeldefekte stellen eines der größten klinischen Probleme für orthopädische Chirurgen dar, und Knorpelschäden nach einem Trauma können zu starken Gelenkschmerzen, Funktionseinschränkungen und langfristig zur Entwicklung von Arthrose führen. Die laterale Knorpel-Knorpel-Integration ist entscheidend für den langfristigen Behandlungserfolg, um eine weitere Degeneration des Gewebes zu verhindern. Gewebekleber und -versiegelungen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit und können einen vorteilhaften Ansatz zur Förderung der Gewebeintegration darstellen. Insbesondere bei einem avaskulären Gewebe wie Knorpel können alternative Fixierungstechniken wie Nähte eher zu weiteren Schäden führen. Aktuelle Klebstoffe bedürfen jedoch noch der Optimierung im Hinblick auf die Maximierung der Klebekraft einerseits und der langfristigen Gewebsintegration andererseits. In vitro Modelle können eine wertvolle Unterstützung bei der Untersuchung potenzieller Kleber-Kandidaten und derer Funktionsmechanismen sein. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente wurde ein in vitro Disc/Ring-Modell aus porcinem Gelenkknorpel hergestellt. Neben der qualitativen Bewertung der Regeneration erleichtert dieses Modell die Durchführung biomechanischer Tests zur Quantifizierung der Knorpelintegrationskraft. Die Herstellung von Konstrukten für die Histologie und anderer analytischer Verfahren ist standardisierbar und ist im Vergleich zu in vivo Versuchen ethisch weniger bedenklich. Die Möglichkeit der Anwendung von Zellkulturtechniken mit dem in vitro Modell ermöglicht eine bessere Untersuchung von Knorpelintegrationsprozessen. Das Verkleben von Gewebe erfordert eine chemische oder physikalische Wechselwirkung zwischen dem Klebstoff und dem Substrat. Adhäsive Hydrogele können sich an die Defektoberfläche binden und gleichzeitig die Lücke unregelmäßig geformter Defekthohlräume füllen. Fibrin-Gele sind von der physiologischen Blutgerinnung abgeleitet und werden seit langem klinisch zum Wundverschluss eingesetzt. Innerhalb dieser Arbeit wurden Vergleiche verschiedener Fibrinkleberformulierungen mit dem kommerziellen BioGlue® durchgeführt, welche gezeigt haben, dass bei der Anwendung auf Knorpelgewebe eine gute Biokompatibilität erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Langzeitintegration zu erreichen. Fibrinformulierungen können im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität angepasst werden, und bei der Anwendung auf Knorpel Disc/Ring-Konstrukten ist eine verbesserte integrative Reparatur zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kinetik der Reparaturprozesse in fibrinbehandelten Knorpelkompositen untersucht. Nach dreitägiger in vitro-Kultivierung war eine Ablagerung von extrazellulärer Matrix (ECM) an der verklebten Grenzfläche zu erkennen, welche mit der Zeit weiter zunahm. Ab dem zehnten Tag der Gewebekultur wurde das Einwandern von Zellen aus dem umgebenden nativen Knorpel an der Grenzfläche festgestellt. Die ECM-Bildung hängt von Stoffwechselfaktoren ab, wie es beispielhaft für Ascorbinsäure gezeigt wurde. Dabei trug neue ECM zu einer mit der Zeit zunehmenden Integrationsstärke bei. Die mit Fibrin durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass der Ansatz mit einem biokompatiblen Klebstoff und dem Potenzial zur Knorpelneosynthese die laterale Knorpelintegration langfristig begünstigt. Allerdings hatte Fibrin nur eine begrenzte anfängliche Klebekraft, was für den Einsatz auf mechanisch stark belastetem Gelenkknorpel nachteilig ist. Das weiterführende Ziel dieser Arbeit war es unter anderem Haftmechanismen und neue adhäsive Hydrogele zu entwickeln, welche die positiven Eigenschaften von Fibrin beibehalten, aber eine höhere Klebekraft aufweisen. Es wurden zwei verschiedene photochemische Ansätze getestet, die den Vorteil einer zeitlich festlegbaren Verklebung haben und somit dem Anwender eine einfache Applizierung ermöglichen. Zunächst wurde ein UV-Licht-induzierter Vernetzungsmechanismus zur Bereitstellung zusätzlicher Klebestellen zum Fibrinkleber entwickelt. Die Knorpeloberfläche wurde dabei mit hochreaktiven, lichtempfindlichen Diazirin-Molekülen funktionalisiert, die zusätzliche kovalente Bindungen an die Fibrinmatrix ermöglichten und damit die direkte Adhäsionskraft erhöhten. Die Nachteile dieses Ansatzes waren jedoch die mehrstufigen Vernetzungsreaktionen, die Notwendigkeit einer enzymatischen Vorbehandlung des Knorpels, teure Reagenzien, eine mögliche Schädigung durch UV-Licht und potentielle toxikologische Risiken. Wegen den erwähnten Nachteilen wurde auf zusätzliche Untersuchungen verzichtet und der Fokus auf die Alternativenfindung gelegt. Ein weiterer Ansatz konzentrierte sich auf die Vernetzung von Fibrinogen durch blaues Licht (RuFib) mittels eines Photoinitiaor-Moleküls statt über Thrombinzugabe wie bei gewöhnlichen Fibrinklebern. Der verwendete Rutheniumkomplex ermöglichte die inter- und intramolekulare Dityrosinbindung von Fibrinogenmolekülen. Der Vorteil war dabei die einstufige lichtinduzierte Vernetzung von Fibrinogen mit höheren Haftkräften als bei Fibrin. Im Gegensatz zur Diazirin-Funktionalisierung von Knorpel ist der Rutheniumkomplex auch toxikologisch weniger bedenklich. Nach in vitro Kultivierung der RuFib geklebten Disc/Ring-Konstruktes kam es jedoch zu einer Abnahme der Integrationskraft. Im Vergleich zu Fibrin wurde eine verminderte Knorpelsynthese am Defekt beobachtet. Nachteilig ist auch, dass eine Modifizierung des Klebers einzig über die Proteinkonzentration erfolgen kann, da Fibrinogen als natürliches Protein eine feste Anzahl von Tyrosin-Bindungsstellen hat und alternativ chemisch verändert werden müsste. Ein zusätzlich entwickelter Klebstoff basiert auf einem von Muscheln inspirierten Haftmechanismus, bei dem die Reaktivität zu einer Vielzahl von Substraten über freie DOPA-Aminosäuren ermöglicht wird. Es ist bekannt, dass die DOPA-basierte Adhäsion in einer feuchten Umgebung funktioniert, ein großer Vorteil für die Anwendung auf stark wasserhaltigem Knorpelgewebe und im feuchten Synovium. Reaktive DOPA-Gruppen wurden synthetisch an ein Polymer, in diesem Fall POx, gebunden, um eine einfache chemische Modifizierbarkeit zu ermöglichen. Mögliche Anpassungen sind z.B. das Einfügen von hydrolysierbaren Esterbindungen um veränderte Degradationsraten zu erreichen. Die Möglichkeit der Herstellung eines adhäsiven Hybridhydrogels aus POx in Kombination mit Fibrinogen führte zu einer erhöhten Zellkompatibilität, wie sie bereits bei Fibrin beobachtet wurde, jedoch mit erhöhter direkter Klebekraft. Die angepasste Degradationskinetik über die Menge an Esterbindungen am POx hatte einen direkten Einfluss auf die Entwicklung der Integration im in vitro Modell gezeigt. Hydrogele sind gut geeignet, um Defektlücken zu füllen. Bei intrinsischen Adhäsionseigenschaften kann eine gewisse sofortige Integration erreicht werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass für den Erfolg einer langfristigen Integration eine gute Fähigkeit des Klebstoffs zur Aufnahme von synthetisierten ECM-Komponenten und Zellen erforderlich ist. Die Abbaukinetik des Klebstoffs muss dabei mit dem Umbauprozess im Gleichgewicht sein, um einen zwischenzeitlichen Verlust der Integrationskraft zu vermeiden und eine langfristige feste Adhäsion an das native Gewebe zu ermöglichen. Hydrogele sind nicht nur als Klebstoffe für kleinere Defekte wichtig, sondern auch als Tissue-Engineering Material um große Defektvolumina aufzufüllen und mit Zellen zu besiedeln. In der Literatur werden verschiedene Hydrogelarten für die Knorpelsynthese berichtet. Eine langzeitstabile Fibrinformulierung wurde in dieser Arbeit nicht nur als Klebstoff, sondern auch als größeres Hydrogelkonstrukt getestet. Agarose ist ebenfalls ein im Knorpel-Tissue-Engineering häufig verwendetes Material, das bereits eine gute Knorpelneosynthese gezeigt hat. Darüber hinaus wurde ein synthetisches Hyaluronsäure-basiertes Hydrogel (HA-SH/P(AGE/G)) untersucht. In durchgeführten Experimenten wurde das Disc/Ring Modell adaptiert und das innere Lumen des Knorpelrings mit dem jeweiligen Hydrogel gefüllt. Im Gegensatz zu Agarose verfügen Fibrin und das HA-SH/P(AGE/G)-Gel über einen Vernetzungsmechanismus, der beim Kontakt mit dem Knorpel während der Aushärtung zu einer sofortigen Bindung führte. Die verstärkte Knorpelneosynthese in Agarose im Vergleich zu den anderen Hydrogeltypen führte zu einer erhöhten Integration während der in vitro Kultur. Dies zeigt, dass für den langfristigen Erfolg eines Therapieansatzes der Umbau des Hydrogels in funktionelles Knorpelgewebe eine sehr hohe Priorität hat. Um größere Knorpeldefekte erfolgreich mit Hydrogelen behandeln zu können, sind neue Materialien mit diesen Eigenschaften in Kombination mit chemischer Modifizierbarkeit und einem direkten Adhäsionsmechanismus einer der vielversprechendsten Ansätze.

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

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