L’arthrose et la polyarthrite rhumatoïde sont deux atteintes ostéo-articulaires qui affectent les tissus cartilagineux et osseux. Elles représentent un réel problème de santé publique de par leur prévalence et le manque de traitements curatifs. Des approches innovantes de thérapie cellulaire sont en cours d’évaluation dans ces maladies. Elles sont basées sur l’utilisation des cellules souches mésenchymateuses (CSM), qui possèdent des propriétés immunosuppressives et régénératrices, et pourraient apporter de nouveaux espoirs aux patients. Ces cellules sécrètent des vésicules extracellulaires, moyen de communication intercellulaire puissant, qui sont classées en 3 populations : exosomes, microparticules (MPs) et corps apoptotiques. Dans cette étude, nous proposons d’étudier et de comparer les effets in vitro et in vivo des exosomes et des MPs sécrétés par les CSMs. Nous montrons pour la première fois que les exosomes et les MPs de CSMs exercent in vitro des effets anti-inflammatoires, anti-apoptotiques et chondroprotecteurs similaires. In vivo, seuls les exosomes exercent un effet thérapeutique dans un modèle expérimental de polyarthrite rhumatoïde. En revanche dans un modèle expérimental d’arthrose, les exosomes et les MPs protègent le cartilage et l’os de la dégradation et ce, de manière équivalente. Cette étude est la première preuve de concept que des exosomes et/ou des MPs isolés de CSMs ont un effet thérapeutique dans des maladies rhumatismales. / Osteoarthritis and rheumatoid arthritis are osteoarticular diseases affecting primarily cartilage and bone. They are a high public health problem because of their prevalence and absence of curative treatment. Innovating cell therapy approaches are being evaluated in the clinic for treating these diseases. They rely on the use of mesenchymal stem cells (MSCs), which display immunosuppressive and regenerative functions and could provide new hope for patients. These cells release extracellular vesicles, which are very powerful tools for intercellular communication and are classified into 3 populations: exosomes, microparticles (MPs) and apoptotic bodies. In the present study, we characterize and compare the in vitro and in vivo effects of MSC-derived exosomes and MPs. We show for the first time that exosomes and MPs exert in vitro anti-inflammatory, anti-apoptotic and chondroprotective functions. In vivo, only exosomes exert a therapeutic effect in an experimental model of inflammatory arthritis. However in a model of osteoarthritis, both exosomes and MPs protect cartilage and bone from degradation, in a similar fashion. This study provides the proof-of-concept that MSC-derived exosomes and/or MPs exert a therapeutic effect in rheumatic diseases.

L’arthrose est la pathologie articulaire la plus fréquente, caractérisée par une destruction progressive du cartilage articulaire et impliquant une communication anormale entre l'os sous-chondral et le cartilage. Notre équipe a identifié la protéine 14-3-3ε comme un médiateur soluble secrété par l’os et capable d’altérer l'homéostasie du cartilage en stimulant l’expression de MMP-3 et MMP-13, deux métalloprotéases impliquées dans la dégradation du cartilage au cours de l’arthrose. CD13/APN, récepteur potentiel pour cette protéine, a été mis en évidence à la surface des chondrocytes murins et humains. Le but de cette étude était d’étudier son implication dans la réponse des chondrocytes à 14-3-3ε. L’invalidation de CD13/APN par des siRNA ou des anticorps bloquants, réduit significativement l’effet catabolique chondrocytaire induit par 14-3-3ε. Les chondrocytes articulaires possèdent une activité APN mais elle n’est pas modifiée en présence de 14-3-3ε. Nous avons mis en évidence la présence d’une interaction directe entre 14-3-3ε et CD13/APN grâce à la technologie SPR (Surface Plasmon Resonance) et le système Biacore. En utilisant 14-3-3ε marquée à la biotine, nous avons montré que 14-3-3ε est capable de se lier à la surface des chondrocytes via CD13/APN. Nous avons donc eu recours ensuite aux études de modélisation in silico qui ont permis d’identifier le résidu Y582 phosphorylé appartenant à la séquence E579FNYVW584 de CD13/APN, comme résidu indispensable pour sa liaison à 14-3-3ε. Ce travail de thèse permet de mieux comprendre le mécanisme d’action de 14-3-3ε et propose l’interaction entre 14-3-3ε et CD13 comme une nouvelle cible thérapeutique dans l’arthrose. / Osteoarthritis (OA) is a whole-joint disease characterized by progressive destruction of articular cartilage involving abnormal communication between subchondral bone and cartilage. Our team identified 14-3-3ε protein as a subchondral bone soluble mediator altering cartilage homeostasis. This protein acts as a potent stimulatory factor of MMP-3 and MMP-13 involved in the degradation of cartilage matrix in OA. CD13/APN, potential receptor of this protein, was identified on the surface of chondrocytes. The aim of this study was to investigate its involvement in chondrocytes response to 14-3-3ε. CD13/APN invalidation, using the siRNA strategy and blocking antibodies, reduces significantly the catabolic effect induced by 14-3-3ε in chondrocytes. APN activity was identified in chondrocytes but found unchanged following stimulation with 14-3-3ε. Then, we have revealed the presence of a direct interaction between 14-3-3ε and CD13/APN through the SPR (Surface Plasmon Resonance) and the Biacore system. Using biotin-labeled 14-3-3ε, we have shown that 14-3-3ε is able to bind to the surface of chondrocytes in a manner that is dependent on CD13/APN. It was then necessary to identify the putative motifs involved in this interaction. We therefore used in silico modelling studies which have identified the phosphorylated residue Y582, belonging to the E579FNYVW584 sequence of CD13/APN, as a critical residue for its binding to 14-3-3ε. This thesis work suggest that CD13 plays its receptor role to bind 14-3-3ε and transmit its signal in chondrocytes to induce a catabolic phenotype similar to that observed in OA. Thus, 14-3-3ε-CD13 interaction could be a novel therapeutic target in OA.

Les tissus adipeux (TA) intra-articulaires (TAIA) sont présents dans la majorité des articulations, au contact de la membrane synoviale. Le genou est l'articulation la plus riche en TA, comprenant le TA de Hoffa (TAH) et les TA suprapatellaires (TASP). A l'inverse, la hanche ne comprend qu'un petit TA, le TA acétabulaire (TAA). Le TAH de sujets arthrosiques est une source plus importante de cytokines inflammatoires que les TA sous-cutanés (TASC). Nous émettons l'hypothèse que les cytokines sécrétées par les TAH modifient le phénotype de la membrane synoviale arthrosique et que l'ensemble des TAIA partage des caractéristiques histologiques et biologiques communes les distinguant des TASC. Nous avons d'abord montré que la stimulation par les milieux conditionnés de TAH autologues induisait une expression et une libération plus importantes d'IL-6, d'IL-8, de PGE2, de MMP-1, de MMP-3 et de MMP-9 par les synoviocytes fibroblastiques (SF) comparativement aux TASC. La PGE2, sécrétée en plus grande quantité par les TAIA que les TASC (75 fois plus), joue un rôle central dans l'activation des SF. A l'instar des TAH, les autres TAIA de genou et de hanche sécrétent également plus de médiateurs inflammatoires que les TASC. Ils sont le siège de plus de remaniements fibreux, de vaisseaux et d'infiltrats leucocytaires que les TASC. Au sein des TAIA, les adipocytes sont plus petits et l'expression génique des médiateurs du métabolisme lipidique (ATGL, LPL, FABP4 et CD36) diminuée. Les TAIA de genou et de hanche arthrosiques partagent donc un phénotype commun et ont la capacité d'interagir avec la membrane synoviale, pouvant ainsi contribuer à la maladie arthrosique. / Intra-articular adipose tissues (IAAT) are located in most joints, lined by synovial membrane. IAAT within the knee are the most numerous and voluminous. They are principally constituted by the infrapatellar fat pad (IFP) and suprapatellar fat pad (SPFP). Inversely, the hip is only constituted by a small single AT, called acetabular fat pad (AFP). Moreover, several studies brought out that IFP from OA patients were a greater source of inflammatory cytokines as compared to subcutaneous AT (SCAT). So, we hypothesized that cytokines released by IFP could modify the phenotype of synovial membrane and also that all IAAT share similar histological, biological and cellular characteristics distinguishing them from SCAT. First, we showed that synoviocyte stimulation by autologous IFP-conditioned media induced a higher gene expression and release of IL-6, IL-8, PGE2, MMP-1, MMP-3 and MMP-9 as compared to SCAT. We also confirmed that IFP released higher rate of inflammatory cytokines than SCAT, particularly PGE2, whom secretion rate was 75 fold higher and which had a central impact in synoviocyte activation. Next, we demonstrated that other IAAT from knee and hip also released higher levels of IL-6, IL-8, and PGE2 as compared to SCAT. IAAT were composed by greater fibrosis remodeling and higher vessel area and leucocyte infiltration as compared to autologous SCAT. In IAAT, adipocytes were smaller and gene expression for most factors involved in lipid metabolism (ATGL, LPL, FABP4 et CD36) were decreased. The specificity of inflammatory secretion and metabolic phenotype were also observed in preadipocytes isolated from knee IAAT and SCAT. To conclude, IAAT from OA knee and hip share a common phenotype and have the ability to interact with synovial membrane, contributing to the onset and/or the progression of OA disease.

Les pathologies modifiant l’intégrité de la matrice cartilagineuse (arthrose, arthrite, pathologies des disques intervertébraux, chondrosarcome…) sont caractérisées par un diagnostic tardif dû à l’absence d’un marqueur spécifique du cartilage. Notre unité de recherche développe depuis quelques années un radiotraceur à base de 99mTc capable de se lier aux protéoglycanes, un des constituants essentiels du cartilage. Son utilisation en tomographie par émission monophotonique (TEMP) a permis de mettre en évidence sa capacité à cibler spécifiquement les protéoglycanes du cartilage. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans la continuité de cette étude. De nouveaux radiotraceurs à base de cuivre-64 ont été synthétisés avec pour objectif de réaliser une imagerie fonctionnelle et quantifiable du cartilage en tomographie par émission de positons (TEP). La structure de base de ces radiotraceurs combine une partie vectrice ciblant spécifiquement les protéoglycanes du cartilage (fonction ammonium quaternaire) et une partie chélatante affine de l’ion cuivrique (polyazamacrocycle). Nos études préliminaires montrent que ces radiotraceurs pourraient permettre un diagnostic précoce et un suivi longitudinal des pathologies du cartilage. / Pathologies altering the integrity of the cartilaginous matrix (osteoarthritis, arthritis, intervertebral discs diseases, chondrosarcoma…) are characterized by a delayed diagnosis due to the absence of a specific marker of cartilage. Since several years, our research unit developed a radiotracer based on 99mTc able of binding proteoglycans, one of the essential constituents of the cartilage. Its use in single photon emission tomography (SPECT) had enabled to demonstrate its ability to specifically target the cartilage proteoglycans. Works reported in this thesis are a follow-up to this study. New radiotracers based on copper-64 were synthesized with the aim to achieve functional and quantifiable cartilage imaging in positron emission tomography (PET). The basic structure of these radiotracers combines a carrier function specifically targeting cartilage proteoglycan (quaternary ammonium function) and a chelating moiety for cupric ion (polyazamacrocycle). Our preliminary studies show that these radiotracers could allow early diagnosis and a longitudinal follow-up of cartilage diseases.

Hintergrund: Die Kniegelenksarthrose (Gonarthrose) ist eine degenerative, fortschreitende und multifaktorielle Erkrankung, die durch chronische Schmerzen und Funktionseinschränkungen des Kniegelenks gekennzeichnet ist. Weltweit ist die Gonarthrose die häufigste Gelenkerkrankung mit zunehmender der Prävalenz. Derzeit existiert keine kausalwirkende medikamentöse Therapie für die Gonarthrose. Im Endstadium der Erkrankung ist der künstliche Gelenkersatz durch die Implantation einer Totalendoprothese (Knie-TEP) eine effektive Behandlungsoption. Die Knie-TEP ist einer der weltweit am häufigsten durchgeführten Eingriffe in der Routineversorgung mit ebenfalls steigender Tendenz. Die Kenntnis über die Erwartungen und Ziele von Patient:innen sind für die Abwägung zwischen Nutzen und Schaden der verfügbaren Therapieoptionen elementar, gerade im Hinblick auf einen elektiven Eingriff. Es konnte in Studien gezeigt werden, dass Patient:innen zufriedener mit dem Therapieergebnis waren, wenn ihre individuellen Erwartungen im Hinblick auf das Ergebnis der Therapie erfüllt wurden. Folglich ist die Erfassung der Patientenziele für die Prädiktion des Therapieergebnisses je Behandlungsoption von hoher Relevanz und demnach auch für die Indikationsstellung in einer patientenzentrierten Gesundheitsversorgung. Leitlinien geben auf Basis der aktuell verfügbaren Evidenz konkrete Empfehlungen zum medizinischen Handeln für ein spezifisches Gesundheitsproblem um damit die Qualität der Versorgung zu verbessern. Im Rahmen der Behandlung von Patient:innen mit Gonarthrose wurde in Bezug auf die Indikationsstellung zur Implantation einer Knie-TEP die Integration von Patientenziele bis zu Beginn der kumulativen Dissertation weder systematisch untersucht noch integriert. Nach der medizinischen Indikationsstellung zum elektiven Gelenkersatz folgt die partizipative Entscheidungsfindung im Arzt-Patienten-Gespräch. Auch hier ist die Kenntnis der generalisierten Therapieziele von Patient:innen eine bedeutende Ressource. Durch die strukturierte Erfassung der Patientenziele können im Arzt-Patienten-Gespräch, andernfalls nicht geäußerte Ziele und Erwartungen im Prozess der Entscheidungsfindung thematisiert werden. Fragestellung: Das primäre Ziel der Dissertation war (1) die Generierung von konsentierten Patientenzielen, die an die Therapie der Gonarthrose mittels Knie-TEP geknüpft sind (Publikation 3: Konsentierung Therapieziele). Für die Abstimmung der zur Konsensfindung verwendeten Delphi-Methode war es notwendig, zunächst potentiell relevante Ziele zu identifizieren und eine adäquate Bewertungsskala für den Abstimmungsprozess zu bestimmen. Daher wurden die folgenden Ziele dem primären Ziel vorgelagert: (2) Auflistung an untersuchten Outcome-Domänen durch die systematische Identifikation von verwendeten Messinstrumenten in klinischen und Beobachtungsstudien zur Knie-TEP (Publikation 1: Outcome-Messung bei Knie-TEP). (3) Bestimmung einer adäquaten Bewertungsskala für einen Selektionsprozess mittels Delphi-Methode (Publikation 2: Bewertungsskalen-Vergleich). Material und Methode: Um das Kernziel der Dissertation herauszuarbeiten wurde eine dreistufige Delphi-Studie zur Konsentierung von Therapiezielen bei Knie-TEP (Publikation 3) durchgeführt. Mit dem Ziel ein repräsentatives Delphi-Panel zu erhalten, erfolgte die Rekrutierung von Kandidat:innen für eine Knie-TEP deutschlandweit über ambulante und stationäre orthopädisch/unfallchirurgische Praxen bzw. Abteilungen, sowie Physiotherapiepraxen sowie einer Patientenorganisation, der Deutsche Rheuma-Liga e.V. Der Delphi-Studie vorangestellt wurden mittels eines systematischen Reviews Outcomes bei der Knie-TEP (Publikation 1) identifiziert und zu verschiedenen Outcome-Domänen zugeordnet. Die resultierende Liste an Outcome-Domänen bildete die Grundlage für die Abfrage potentieller Therapieziele in der Delphi-Studie. Im Rahmen des systematischen Reviews wurden zusätzlich die Berichtsqualität und die Heterogenität eingesetzter Messinstrumente und Outcome-Domänen, sowie die Akzeptanz des publizierten Core Outcome Sets (COS) für Arthrose aus dem Jahr 1997 untersucht. Als zweite vorangestellte Studie sollte mittels einer Test-Restest-Reliabilitätsuntersuchung (Publikation 2) die geeignete Bewertungsskala für die Delphi-Studie ermittelt werden. In dem hier vorgestellten Kontext beschreibt die Reliabilität das Ausmaß inwiefern Therapieziele stabil erfasst werden können. Ergebnisse: Im systematischen Review zur Outcome-Messung bei Knie-TEP (Publikation 1) konnten insgesamt 379 Outcomes mit 111 verschiedenen Messinstrumenten in den 100 eingeschlossenen Studien identifiziert werden. Nach inhaltlicher Synthese der zugeordneten Outcome-Domänen entstand als Resultat die finale Liste mit 34 Outcome-Domänen als Grundlage für die Konsentierung von Therapiezielen (Publikation 3). Zusätzlich konnte eine substantielle Heterogenität an untersuchten Outcomes beschrieben werden. Darüber hinaus betrug trotz der Vielzahl an verschiedenen Outcomes die Messung aller vier Outcome-Domänen des COS für Arthrose je Studie nur 4 %. Die Test-Retest-Reliabilitätsstudie (Publikation 2) konnte substantielle Unterschiede zwischen den Bewertungsskale herausstellten (Drei-Punkte-Likert-Skala: 0,63 [95 % KI: 0,62; 0,64], Fünf-Punkte-Likert-Skala: 0,47 [95 % KI: 0,07; 0,86], Neun-Punkte-Likert-Skala: 0,78 [95 % KI: 0,78; 0,78]), welche sich durch Transformationen der Fünf-Punkte-Likert-Skala und Neun-Punkte-Likert-Skala in die Drei-Punkte-Likert-Skala abschwächte. Weiterhin zeigte die Untersuchung, dass die Anzahl an abgestimmten Therapiezielen um den Faktor zwei zwischen den Bewertungsskalen variierte. Die Wahl der Bewertungsskala für den Konsensprozess konnte nicht alleinig auf Basis der Reliablilitätsuntersuchung getroffen werden. Die Kombination aus Nicht-Unterlegenheit gegenüber den anderen beiden Skalen und der einfachen Überführung in die klinisch relevante Einteilung waren für die Verwendung der Drei-Punkte-Likert-Skala in der Delphi-Studie ausschlaggebend. Insgesamt 93 Teilnehmer:innen nahmen an der Delphi-Studie (Publikation 3) teil. In der ersten Runde wurden weitere 11, nicht durch das systematische Review (Publikation 1) identifizierte, potentielle Ziele durch die Teilnehmer:innen eingebracht. Schlussendlich konnten 10 der 31 Therapieziele einen Konsens mit über 75 % der Bewertungen der Teilnehmer:innen als „Hauptziel“ erzielen. Zusätzlich konnte durch diese Studie eine geringe Korrelation zwischen dem aktuellen Einschränkungsgrad und der Bewertung des dazu gehörigen Therapieziels herausgestellt werden. Schlussfolgerungen: Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden drei inhaltlich aufeinander aufbauende Publikationen verfasst. Die Untersuchungen verfolgten das Ziel, generalisierte Ziele von Patient:innen mit Gonarthrose an die Therapie mittels Knie-TEP zu identifizieren. Die im Zentrum der Arbeit stehende abgestimmte Liste an generalisierten Therapiezielen bildet hierfür eine neu geschaffene Ressource zur strukturierten Erfassung der Ziele. Diese Ressource fand Eingang in die Leitlinienentwicklung zur Indikationsstellung zur Knie-TEP bei Patient:innen mit Gonarthrose, und hat somit zur Berücksichtigung der Zielstellungen von Patient:innen in dieser Leitlinie geführt. Durch die zusätzlichen methodischen Untersuchungen im Rahmend er Dissertation konnte durch die der Status Quo in der Outcome-Messung in Studien zur Knie-TEP beschrieben und deutliche Defizite aufgezeigt werden. Die Erkenntnisse zeigen maßgebliche Barrieren für die Möglichkeit zur Synthese von Evidenz und weisen auf Handlungsbedarf in Bezug auf die Outcome-Messung hin. Die zweite methodische Arbeit weist fachübergreifend auf den Einfluss der verwendeten Bewertungsskalen auf das finale Ergebnis von Delphi-Studien hin. Die Dissertation konnte nicht nur einen Beitrag zur Patientenzentrierung in der Routineversorgung leisten, sondern setzt auch Impulse für weiterführende Forschung, gerade im Hinblick darauf, wie eine strukturierte Erfassung von Patientenzielen zur Stärkung der Entscheidungsqualität direkt in die Versorgung einfließen kann.:Zusammenfassung Summary Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung in die Thematik 1.1 Thematischer Hintergrund 1.2 Wissenschaftliche Ausgangslage 1.2.1 Epidemiologie der Gonarthrose 1.2.2 Patientenerwartungen an den Gelenkersatz 1.2.3 Indikationsstellung zum elektivem Gelenkersatz 1.2.4 Leitlinien zur Therapie der Gonarthrose 1.2.5 Core Outcome Sets 1.3 Forschungsziele 1.4 Wissenschaftlicher Ansatz der Publikationen 1.4.1 Methodik der Publikation 1 - Outcome-Messung bei Knie-TEP 1.4.2 Methodik der Publikation 2 - Bewertungsskalen-Vergleich 1.4.3 Methodik der Publikation 3 - Konsentierung Therapieziele 1.5 Wissenschaftliche Ergebnisse der Publikationen 1.5.1 Ergebnisse der Publikation 1 - Outcome-Messung bei Knie-TEP 1.5.2 Ergebnisse der Publikation 2 - Bewertungsskalen-Vergleich 1.5.3 Ergebnisse der Publikation 3 - Konsentierung Therapieziele 2 Übersicht der Publikationen 2.1 Publikation 1 - Outcome-Messung bei Knie-TEP 2.2 Publikation 2 - Bewertungsskalen-Vergleich 2.3 Publikation 3 - Konsentierung Therapieziele 3 Diskussion und Ausblick 3.1 Interpretation der Ergebnisse 3.2 Implikation für Praxis und Forschung 3.2.1 Einbindung der Ergebnisse in die Routineversorgung und Leitlinienentwicklung 3.2.2 Einbindung der Ergebnisse in die Entwicklung von Core Outcome Sets für Knie-TEP 3.3 Stärken und Schwächen 3.4 Schlussfolgerungen Literaturverzeichnis Darstellung des Eigenanteils Weitere Veröffentlichungen

Durch eine optimierte Anwendungsbeobachtung (AWB) sollte die Dokumentation der therapeutischen Anwendung eines Phytopharmakons vervollständigt werden. Ausgewählt wurde ein wässriger Extrakt aus der südafrikanischen Teufelskralle im Anwendungsgebiet der Therapie degenerativer Erkrankungen des Bewegungsapparates (Gon- und Coxarthrose). Wie eine Darstellung der Klinik zeigte, lag bis dahin keine Studie für diese Anwendung des Extraktes vor. Die Therapie erfolgte über 12 Wochen, die Wirksamkeit wurde bewertet primär mit dem Western-Ontario-McMaster-Universities-Osteoarthritis-Index (WOMAC) und der VAS-Schmerzskala. Die Ergebnisse dieser AWB belegen erstmalig die Wirksamkeit bei degenerativen rheumatischen Erkrankungen. Mit einer Verbesserung des WOMAC-Scores um 22,9 % im gesamten Kollektiv und um 24,1 % bei Patienten mit stärkeren Beschwerden dürfen die Ergebnisse als klinisch relevant erachtet werden. Besonders stark war die Wirkung im Subscore zur Steifigkeit (Verbesserung um mehr als 30 % im stärker betroffenen Kollektiv und in der Gesamtgruppe um 22,2 %). Durch den verwendeten Erfassungsparameter Arhuser Rückenschmerzindex war ein Vergleich mit den Ergebnissen früherer Studien mit dem gleichen Extrakt möglich. Die Verbesserung in annähernd vergleichbarer Größenordnung zeigte, dass die Ergebnisse der AWB valide sind. Für den WOMAC-Gesamtscore wurden in Studien mit nicht-steroidalen Antirheumatika Verbesserungen um 25 - 40 % berichtet; der Subscore zur Steifigkeit verbesserte sich um 20 - 50 % in den Verum- und bis zu 20 % in den Placebo-Gruppen. Die Wirkstärke der Teufelskralle ist im Vergleich zu den Wirkstärken synthetischer Arzneistoffe daher beachtlich. Die Teufelskralle kann als alleinige medikamentöse Maßnahme eingesetzt werden. Mittels einer verbesserten Qualität in Planung, Durchführung und Auswertung sowie Berichterstattung von Anwendungsbeobachtung kann ein wichtiger Beitrag für den therapeutischen Stellenwert von Phytopharmaka geleistet werden.

Mémoire en recherche-création / L'arthrose (OA) est la maladie musculosquelettique la plus fréquente au monde et peut affecter toutes les articulations. L’arthrose est caractérisée par la dégradation progressive du cartilage, l’inflammation de la synoviale et le remodelage de l’os sous-chondral. Ces changements sont dus à une augmentation d’expression des médiateurs pro-inflammatoires tels que la cyclooxygénase 2 (COX-2) et de facteurs cataboliques, notamment les métalloprotéinases 1 et 13 (MMP-1 et 13). Les métabolites de la 12-lipoxygénase jouent un rôle important dans de nombreux processus physiologiques et pathologiques. À la suite des réactions d'oxygénation / réduction de la 12 LOX, un facteur eicosanoïde particulier est produit: le 12-HydroxyEicosaTétraÉnoique (12-HETE), dont le rôle dans la pathogenèse de l’OA n’est pas caractérisé. L’objectif de ce travail est de définir le rôle de la 12-HETE dans la régulation des réponses inflammatoires et cataboliques dans les tissus articulaires, chondrocytes et synoviocytes, humains. Nous avons démontré que la 12-HETE n’affecte pas la prolifération (test MTT) des chondrocytes et des synoviocytes et n’a aucun effet sur leur migration (test de rayure). Un traitement avec la 12-HETE augmente l’induction de l’expression de la COX-2 dans les deux types cellulaires. La 12-HETE n’avait aucun effet sur l’expression de la MMP-1 et la MMP-13. La 12-HETE induit ses effets à l’aide d’un récepteur couplé à la protéine G : la GRP31. Nous avons décrit l’arthrose sur des coupes histologiques humaines, puis nous avons observé que l’expression de GPR31 était similaire dans le cartilage dégradé et le cartilage non dégradé. Finalement, nous avons montré que les chondrocytes et les synoviocytes expriment la GPR31 et son niveau est diminué en présence de l’interleukine-1 béta (IL-1β). En conclusion, nous avons démontré que la 12-HETE a des effets divers sur les réponses inflammatoires et cataboliques dans les tissus articulaires : elle augmente l’expression de la cyclooxygénase 2 (COX- 2) et n’a pas d’effet sur l’expression de la MMP-1 et la MMP-13. / Osteoarthritis (OA) is the world's most common musculoskeletal disease and can affect all joints. Osteoarthritis is characterized by progressive degradation of cartilage, inflammation of the synovium and remodelling of the subchondral bone. These changes are due to increased expression of pro-inflammatory mediators such as cyclooxygenase 2 (COX-2) and catabolic factors including metalloproteinases 1 and 13 (MMP-1 and 13). 12-lipoxygenase metabolites play an important role in many physiological and pathological processes. Following the oxygenation/reduction reactions of 12 LOX, a particular eicosanoid factor is produced: 12-HydroxyEicosaTetraenoic (12-HETE), whose role in the pathogenesis of AO is uncharacterized. This work aims to define the role of 12-HydroxyEicosaTetraenoic (12-HETE) in regulating inflammatory and catabolic responses in human joint tissues, chondrocytes and synoviocytes. We have demonstrated that 12-HETE does not affect the proliferation (MTT assay) of chondrocytes and synoviocytes and has no effect on their migration (scratch assay). Treatment with 12-HETE increased the induction of COX-2 expression in both cell types. 12-HETE had no effects on MMP-1 and MMP-13 expression. 12-HETE induces its effects using a G protein-coupled receptor: GRP31. We described osteoarthritis on human histological sections and then observed that GPR31 expression was the same in degraded and non-degraded cartilage. Finally, we showed that chondrocytes and synoviocytes express GPR31 and its level is decreased in the presence of Interleukin-1 beta (IL-1β). In conclusion, we demonstrated that 12-HETE has different effects on inflammatory and catabolic responses in joint tissues by increasing COX-2 expression and has no effect on MMP-1 and MMP-13 expression.

In der Diagnostik und Reparatur von hyalinem Gelenkknorpel sind neue Methoden zur Quantifizierung von Struktur und mechanischer Belastbarkeit gefragt, um die Behandlung von Knorpelschäden an Millionen von Patienten weltweit zu verbessern. Mittels hochfrequentem, fokussierten Ultraschall werden Oberflächenparameter für Reflektivität und Rauheit an Gelenkknorpel bestimmt. Es wird gezeigt wie die Oberflächenneigung kontrolliert werden kann. Die Ergebnisse vermitteln ein besseres Verständnis über die Zusammensetzung der Ultraschallsignale aus reflektierten und gestreuten Komponenten. 3D Ultraschallscans von Knorpelregeneraten erlauben die Defektstellen volumetrisch zu Quantifizieren. Die Proben wurden zusätzlich nach etablierten Bewertungssystemen benotet, welche auf makroskopischer Beurteilungen, MRT-Scans und Histologie basieren. Die ultraschallbasierten Volumendaten zeigten dabei gute Korrelationen mit den Punktwertungen. Die im Labor verwendeten Messaufbauten zur biomechanischen Charakterisierung von Gelenkknorpel können am Patienten nicht angewandt werden. Daher können Ärzte die Festigkeit von Knorpel bisher nur mittels manueller Palpation abschätzen. Diese Arbeit entwickelt eine Methode der Ultraschall-Palpation (USP), die es erlaubt, die während der manuellen Palpation erzeugte Kraft und Deformation, basierend auf Ultraschallechos, aufzunehmen. Es wurde einen Prototyp entwickelt womit gezeigt werden konnte, dass USP eine ausreichende Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufweist. Wiederholte Messungen können zusätzlich zeitabhängige biomechanische Parameter von Knorpel ableiten. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit verbesserte und neue Möglichkeiten zur strukturellen und biomechanischen Charakterisierung von hyalinem Gelenkknorpel bzw. den Ergebnissen von Knorpelreparatur basierend auf Ultraschalldaten. Diese Methoden haben das Potenzial die Diagnostik von Gelenkknorpel und die Quantifizierung von Knorpelreparatur zu verbessern. / In the diagnostics and repair of hyaline articular cartilage, new methods to quantify structure and mechanical capacity are required to improve the treatment of cartilage defects for millions of patients worldwide. This thesis uses high frequency focused ultrasound to derive surface parameters for reflectivity and roughness from articular cartilage. It is shown how to control the inclination dependency to gain more reliable results. Furthermore, the results provided a better understanding of the composition of ultrasonic signals from reflected and scattered components. 3D ultrasound scans of cartilage repair tissue were performed to quantify defect sites after cartilage repair volumetrically. The samples were also graded according to established scoring systems based on macroscopic evaluation, MRI scans and histology. The ultrasound-based volumetric parameters showed good correlation with these scores. Complex biomechanical measurement setups used in laboratories cannot be applied to the patient. Therefore, currently physicians have to estimate the stiffness of cartilage by means of manual palpation. In the last part of this thesis, a method denoted as ultrasound palpation is developed, which allows for measuring the applied force and strain during manual palpation in real time, solely based on the evaluation of the time of flight of ultrasound pulses. A prototype was developed and its measurement accuracy and reproducibility were characterized. It could be shown that ultrasound palpation has sufficient accuracy and reproducibility. Additionally, by repeated measurements it was possible to derive time-dependent biomechanical parameters of cartilage. In summary, this work shows improved and new possibilities for structural and biomechanical characterization of hyaline articular cartilage and the outcomes of cartilage repair based on ultrasound data. The methods have the potential to improve the diagnostics of articular cartilage and quantification of its repair.

Introduction : Il est estimé que 10 à 15% des individus âgés de plus de 60 ans sont atteints d'arthrose de degrés variés, ce qui engendre des coûts élevés pour nos systèmes de santé. En particulier, l'arthrose fémoro-tibiale interne entraîne une diminution de l'activité physique et une plus grande sédentarité de la population atteinte à cause de la douleur ressentie durant les activités de la vie de tous les jours, comme la marche. Il a été montré que les personnes souffrant d'arthrose fémoro-tibiale ont souvent recours à des stratégies motrices compensatoires pour palier à la douleur. Ces stratégies motrices agissent en latéralisant les forces de contact articulaire, diminuant les contraintes entre le condyle fémoral et le plateau tibial interne. C'est ainsi que le ré-entraînement de la marche, une intervention prospective élaborée en recherche, qui vise à altérer le patron de marche des individus dans le but de diminuer les contraintes entre le condyle et le plateau tibiale a vu le jour. Toutefois, la relation entre les forces de contact articulaire et les modifications de marche n'a, à notre connaissance, pas été quantifiée. De plus, l'impact des modifications de marche sur les articulations de la cheville et de la hanche n'ont que peu été décrit dans la littérature scientifique. C'est pourquoi l'objectif général de la thèse est de décrire l'impact individuel d'une modification de la marche dans le but d'optimiser son implémentation dans la pratique clinique. L'hypothèse générale associée est qu'une modification de marche à un impact sur la cinématique et la cinétique de chaque articulation du membre inférieur. De plus, l'impact de ces modifications est modulée par l'indice de masse corporel et l'alignement du membre inférieur de chaque individu. Méthode : La collecte des données cinématiques et cinétiques a été effectuée à l'aide d'un système de capture du mouvement Vicon (9 caméras, Vicon motion system, Oxford, UK, 100Hz) et d'un tapis roulant instrumenté avec deux plateformes de force (Bertec, Columbus, OH, USA, 1000Hz). Les individus ont altéré leur marche à l'aide d'une rétroaction visuelle projetée sur un écran placé devant eux (Chapitre 4, N = 23 participants sains ; Chapitre 6, N = 29 participants sains). Les données de 120 individus souffrant d'arthrose fémoro-tibiale, ont été collectées la semaine précédant une arthroplastie totale unilatérale du genou. L'alignement du membre inférieur préopératoire a été évalué à l'aide d'une radiographie complète du membre inférieur et à l'aide d'un système de capture du mouvement (12 caméras, VICON Peak, Oxford, UK, 100Hz) dans une position debout standardisée. Résultats : Une modification de marche, simple ou combinée, visant à diminuer le moment d'adduction au genou impact aussi la cinétique à la cheville et/ou la hanche de manière significative (Chapitre 4). Un système de capture du mouvement n'est pas fiable pour estimer l'alignement du membre inférieur chez des individus avec un indice de masse corporel supérieur à 30kg/m² (Chapitre 5). L'interaction entre l'alignement du membre inférieur et les altérations de marche contribuent significativement à la variance observée aux moments de force externes chez une partie des individus (Chapitre 6). Conclusions : Une modification de marche implique aussi des variations significatives des moments de force externes au niveau de la cheville et de la hanche, et qui sont de plus modulées par les caractéristiques anatomiques individuelles. Les résultats soutiennent donc une approche personnalisée des modifications de la marche. En effet, d'un point de vue clinique, l'imagerie fournit des mesures objectives et directes des caractéristiques anatomiques individuelles, qui peuvent être utilisées en conjonction avec une analyse de mouvement spécifique au patient, pouvant fournir ainsi des informations importantes sur la façon dont l'anatomie et la biomécanique interagissent et peuvent être mises à profit pour améliorer et optimiser l'efficacité du ré-entraînement de la marche. En ce qui concerne la recherche, il sera important d'identifier les mécanismes qui expliquent la grande variabilité inter-sujet observée lors de l'adoption d'un nouveau patron de marche. / Introduction : It is estimated that 10% to 15% of people over the age of 60 have osteoarthritis of varying degrees, which results in high costs to healthcare systems. In particular, femoro-tibial osteoarthritis leads to a decrease in physical activity and a greater sedentary lifestyle due to the pain experienced during activities of daily living, such as walking. It has been shown that people with femoro-tibial osteoarthritis often use compensatory motor strategies for pain relief. These compensatory motor strategies act by lateralizing the joint contact forces, reducing the constraints between the femoral condyle and the internal tibial plateau. Gait retraining, a prospective intervention developed in research, aims to alter the gait pattern of individuals in order to reduce the constraints between the condyle and the tibial plateau. However, the relationship between joint contact forces and gait alterations has not, to our knowledge, been quantified. In addition, the impact of gait alterations on the ankle and hip joints is not well documented. This is why the general objective of the thesis is to describe the individual impact of gait retraining in order to optimize its implementation in clinical practice. The associated general hypothesis is that a change in gait has an impact on the kinematics and kinetics of each joint of the lower limb. In addition, the impact of these alterations is modulated by the body mass index and lower limb alignment of each individual. Methods : Kinematic and kinetic data collection was carried out using a Vicon motion capture system (9 cameras, Vicon motion system, Oxford, UK, 100Hz) and an instrumented treadmill with two force platforms ( Bertec, Columbus, OH, USA, 1000Hz). Individuals altered their gait using visual feedback projected onto a screen placed in front of them (Chapter 4, N = 23 healthy participants ; Chapter 6, N = 29 healthy participants). Data from 120 individuals (Chapter 5) suffering from femoro-tibial osteoarthritis were collected the week preceding a unilateral total knee arthroplasty. Preoperative lower limb alignment was assessed using a total lower limb radiography and motion capture system (12 cameras, VICON Peak, Oxford, UK, 100Hz) in a standardized standing position. Results : A gait alteration, single or combined, aimed at reducing the knee adduction moment also significantly impacts ankle and/or hip kinetics (Chapter 4). A motion capture system is not reliable for lower limb alignment estimation in individuals with a body mass index greater than 30kg/m² (Chapter 5). The interaction between lower limb alignment and gait alterations significantly contributes to the variance observed in lower limb joints external moments in some individuals (Chapter 6). Conclusion : Impaired gait also involves significant variations in external moments at the ankle and hip, which are further modulated by individual anatomical characteristics. The results therefore support a personalized approach to gait retraining. Indeed, from a clinical point of view, imaging provides objective and direct measurements of individual anatomical features, which can be used in conjunction with patient-specific motion analysis, thus providing important information on how anatomy and biomechanics interact and can be used to improve and optimize the efficiency of gait retraining. As far as research is concerned, it will be important to identify the mechanisms that explain the great inter-subject variability observed during the adoption of a new gait pattern.

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