POURQUOI L’OS SOUS-CHONDRAL DANS L’ARTHROSE ?
Francis Berenbaum Université Pierre & Marie Curie
OSTEOARTHRITIS
NORMAL
OSTEOARTHRITIS Subchondral cyst Cartilage
Capsule
Synovial membrane
Subchondral osteosclerosis
Cartilage loss
Synovitis Osteophyte Cartilage erosion
Thickening of the capsule Os sous-chondral
Bijlsma, Berenbaum, Lafeber. The Lancet (in press)
ARTHROSE : UNE MALADIE DE L’ENSEMBLE DE L’ARTICULATION
Sellam & Berenbaum. Nature Reviews Rheum Nov. 2010
Cartilage and OA
Anabolism
Catabolism
Cartilage matrix synthesis
Chemical stress Mechanical stress
dise qu
ilibrium
Overexpression of Metalloproteinases 1,3,13 by chondrocytes
The OA articular chondrocyte Interaction Ligands/specific receptors
•Cytokines (including chemokines, adipokines) •Prostaglandins •Reactive oxygen species •RAGE ligands •Extracellular matrix components
MAPK NF-kB Others…
Transcriptional and post-transcriptional regulation COX-2
MMPs ADAMTS Cytokines Reactive oxygen species Prostaglandins
OA AND THE SYNOVIAL TISSUE
CD31
CD45
Endothelial cells
leucocytes
(personnal collection)
Cartilage Erosion and Thickening of Subchondral Bone in OA Normal
Osteoarthritis
Bone Marrow Lesion in OA
Felson et al 2003, Ann Inter Med.
• Mulitcenter Osteoarthritis Study (MOST): high-risk population • No symptoms and no OA signs on X-rays at inclusion • Question at inclusion and at 15 months : ‘‘During the past 30 days, have you had pain, aching, or stiffness in your knee on most days?’’ • MRI parameters able to predict knee symptoms. Comparison between 36 symptomatic versus 128 nonsymptomatic patients.
Bone marrow lesions predictive of symptoms
MRI predictive of cartilage degradation
Crema et al. Radiology 2010
OA: Positive Bone Scan May Predict Progression
Subchondral Bone Uptake
Bone Scan Predicts X-ray Progression in Osteoarthritis Progressors % patients
100 80 60 40 20 0
No (n = 59)
Yes (n = 28)
« Hot scan » at entry Change in joint space width ≥ 2 mm and/or surgery after 5 years of follow-up * From Dieppe P et al., Arthritis Rheum 1993;38:557-63.
Rôle de l’os dans le processus arthrosique Arthrose spontanée : Augmentation de la densité osseuse sous chondrale avant apparition des lésions du cartilage
Induction expérimentale d’arthrose : Traitement à l’alendronate (inhibiteur du remodelage osseux) Diminution de la dégradation du cartilage articulaire Co-culture : Os sous-chondral arthrosique + explant de cartilage Marqueurs de dégradation du cartilage augmentés
Système Flexercell Compression Plus FX-4000C
Compression Compressiondes desostéoblastes ostéoblastes::
Boîte de compression Biopress
10% soit 1,67 MPa 1 Hertz
Modèle Modèlede decommunication communicationos/cartilage os/cartilage:: Surnageant
Ostéoblastes Comprimés
Chondrocytes articulaires
L’INTERFACE OS-CARTILAGE
D’après Lories & Luyten, Nature Rev Rheum 2011
Perméabilité de l’interface os-cartilage
- Cartilage calcifié perméable aux petits solutés (~ 400 Da)
Cartilage
Arkill, Osteoarthritis Cartilage 2008
- Diffusion de sodium fluorescéine (360 Da) de l’os sous-chondral au cartilage
Cartilage calcifié
Os sous-chondral
Pan, J Orthop Res 2009
RESORPTION PITS IN OA
SB : Subchondral bone CC : Calcified cartilage AC : Articular Cartilage : Tide mark
Shibakawa, Osteoarthritis Cartilage 2005
(personnal collection)
x20
Degradation of the deep cartilage layer in OA
MMP-1
MMP-3
MMP-13
Shibakawa, Osteoarthritis Cartilage 2005
Vascularisation du cartilage calcifié
Vaisseaux du cartilage calcifié
Différents types de vaisseaux
Lane, J Bone Joint Surg Br 1977
Increased Vascularization in OA - OA - Non OA
P=0.049
P=0.009
Walsh et al, 2007, Osteoarthritis Cartilage 15: 743-751
Le cartilage normal
Cartilage articulaire
Tidemark
Le cartilage articulaire
Zuscik, J Clin Invest 2008
« Chondrocyte » = ensemble des types cellulaires présents dans les cartilages
Co-existence des différents phénotypes
Maintien de l’homéostasie
Zuscik, J Clin Invest 2008
Phénotypes chondrocytaires et homéostasie du cartilage Co-existence des différents phénotypes
Maintien de l’homéostasie
Jiang, Osteoarthritis Cartilage 2008
Cartilage et Arthrose Normal
Arthrose Erosion
Cartilage articulaire
Tidemark
Calcification
Différenciation hypertrophique des chondrocytes Ostéocalcine
Normal
IHC
Arthrose ISH
IHC
ISH
Pullig, Calcif Tissue Int 2000
DiffĂŠrenciation hypertrophique des chondrocytes ANK
ALP
Wang, Mol Cell Biol 2005
Importance de l’hypertrophie des chondrocytes dans l’arthrose Souris Runx2+/- section du ligament et enlèvement du ménisque
Kamekura, Arthritis Rheum 2006
Wnt Signaling Promotes Osteoblast and Chondrocyte Differentiation
Wnt ligand
Krishnan, V. et al. J. Clin. Invest. 2006;116:1202-1209 Copyright Š2006 American Society for Clinical Investigation
Elements of Wnt/β-catenin signaling
Krishnan, V. et al. J. Clin. Invest. 2006;116:1202-1209
Copyright ©2006 American Society for Clinical Investigation
FRZB (sFRP-3) ET ARTHROSE EXPERIMENTALE
Modèle de différenciation hypertrophique de chondrocytes articulaires murins
Souriceaux 5-6 jours
Chondrocytes articulaires
1) Analyse Cytochimique Culture 7, 14, 21, 28 jours
2) Analyse Biochimique (surnageants de culture, lysats cellulaires)
Milieu contrôle DMEM 10% SVF Milieu de différenciation (HYP)
3) Analyse Transcriptionnelle (PCR quantitative)
Profil d’expression lors de la différenciation hypertrophique Chondrocyte hypertrophique
Chondrocyte différencié Collagène II Aggrécane Ihh
RunX2 Phosphatase alcaline Collagène X VEGF MMP-13
Expression des marqueurs de différenciation hypertrophique Chondrocyte hypertrophique
Chondrocyte différencié
RunX2 Phosphatase alcaline RunX2 3.0
RT-PCR
6
Activité enzymatique (lysats cellulaires)
2.5
5
4
2.0
4
1.5
3
1.0
2
3 2 1 0
T RP H/ e nè g
5 mU/µg prot
gène / HPRT
6
Phosphatase alcaline
0.5 7
14 21 Jours de culture
0.0
28
7
14 21 Jours de culture
28
RT-PCR
1 0
7 28 Jours de culture
Activité enzymatique (cytochimie)
Milieu contrôle
Milieu HYP
7
Contrôle
HYP
14
21
28
7
28
CONSTATATIONS
HYPOTHESES •Dégradation couche superficielle par enzymes protéolytiques
•Différenciation hypertrophique chondrocytaire (couche profonde+++)
•Augmentation de la formation osseuse •Augmentation de tissu ostéoide •Diminution de la DMO •Diminution de la résistance •Augmentation de la rigidité
•Effet du stress biomécanique : cartilage->os et os>cartilage •Synthèse de VEGF (due à la différenciation hypertrophique) => néoangiogénèse •Communication de médiateurs solubles par les resorption pits (y compris MMPs) •Anomalies de différenciation cellulaire multiplepar la voie Wnt •Anomalies phénotypiques des ostéoblastes (IL-6, PA 2, facteurs de croissance, PGE2, etc.)
QUESTIONS NON RESOLUES -Connaissance exhaustive des médiateurs solubles de l’os sous-chondral agissant sur le phénotype prodégradatif des chondrocytes -Rôle de la voie Wnt au niveau de l’interface oscartilage -Comment expliquer le lien entre vascularisation de l’os sous-chondral et arthrose : quantitatif et qualitatif ? (Imagerie+++) -Quels liens entre cartilage et vascularisation de l’os sous-chondral ?
Implication des chondrocytes dans l’angiogenèse de la plaque de croissance Chondrocytes déficients en VitDR
CD31
TRAP
Masuyama, J Clin Invest 2006
Conséquences fonctionnelles de l’hypertrophie des chondrocytes Angiogenèse
7
14
21
28
7
28
Cellules endothéliales HUVEC Migration cellulaire HUVEC
(dispersion) Milieux conditionnés
Fixation Coloration
Le Dall…,X. Houard, Cardiovasc Res 2010
Moderators of angiogenesis in osteoarthritis Stimulators Synovium VEGF121/189 Angiopoietin-1 bFGF Endoglin Hepatocyte Growth Factor Epidermal Growth Factor IL-1, -4, -8, -18 Angiogenin TGF-β TNF-α PD-ECGF Stem Cell Derived Factor-1 Fractalkine PDGF Pleiotrophin ESAF Bradykinin Substance P CGRP Angiotensin II Prostaglandin E2 Nitric Oxide Histamine Hyaluronic acid (low MWt) sE-selectin VCAM -1
Cartilage VEGF121/189 Endoglin Hepatocyte growth factor IL-1, -8, -18 TGF-β1/2/3 TNF-α Connective tissue growth factor Substance P PG E2 Nitric oxide Histamine
Inhibitors Synovium Thrombospondin IFN-γ Leukaemia Inhibitory Factor TIMP-1 and –2 TGF-β TNF-α Angiopoietin-2 Endostatin Hyaluronic acid (high MWt) Platelet Factor-4 Somatostatin Bactericidal / Permeabilityincreasing Protein IL-4
Cartilage Thrombospondin Leukaemia Inhibitory Factor TIMP -1 and –2 TGF -β TNF -α Chondrocyte Inhibitor of Angiogenesis Chondromodulin-1
Bonnet CS. Walsh DA. Rheumatology. 2005:44;7-16
QUESTIONS NON RESOLUES -Connaissance exhaustive des médiateurs solubles de l’os sous-chondral agissant sur le phénotype prodégradatif des chondrocytes -Rôle de la voie Wnt au niveau de l’interface oscartilage -Comment expliquer le lien entre vascularisation de l’os sous-chondral et arthrose : quantitatif et qualitatif ? (Imagerie+++) -Quels liens entre cartilage et vascularisation de l’os sous-chondral ? -Interface os-cartilage : différences en fonction du phénotype
« Aging-induced Osteoarthritis »
•Musculoskeletal ageing
•Matrix frailty
•Diabetes GENES
•MetS
•Post-trauma •Dysplasia
Obesity Systemic factors
Local factors
F. Berenbaum, EULAR 2011
•Claire Jacques (MCU) •Xavier Houard (MCU) •Jérémie Sellam (MCU-PH) •Audrey Pigenet (Tech) •Sabrina Priam (Thes.) •G. Nourissat (Thes.) •Carole Bougaut (Post-doc) •Marjolaine Gosset