Estudi de la implicació dels petits proteoglicans rics en leucina i les metal·loproteases en els mecanismes patològics de l'artrosi

Abstract

L’artrosi (OA) és una malaltia crònica caracteritzada per la degeneració idiopàtica de l’articulació. A nivell molecular, el procés artròsic implica una progressiva depleció de col·lagen i proteoglicans (PGs), deguda a l’acció d’enzims de destrucció tissular. Els condròcits tot i augmentar-ne la seva síntesi no poden compensar aquest dany, amb la consegüent pèrdua neta de la matriu extracel·lular (MEC). Els principals enzims implicats en la degradació de la matriu són les metal·loproteases de matriu (MMPs) i les agrecanases, que digereixen especialment el col·lagen tipus II i l’agrecà, però també els petits proteoglicans rics en leucina (SLRPs), un subtipus de PGs no agregats. La intensitat a la que es dóna la síntesi o la degradació, però, varia en funció de les diferents regions del cartílag i de l’estrès mecànic al que està subjecte. Aquesta tesi es centra en l’estudi de les diferències en la proteòlisi del col·lagen, agrecà i diferents SLRPs de la matriu en cartílags humans sans respecte a cartílags artròsics, i en si aquestes diferències varien en funció del grau de degradació del cartílag i/o de la càrrega mecànica a la que estan sotmesos. En un primer treball, es va veure que la viabilitat dels condròcits no es troba afectada pel nivell de pressió suportada per l’articulació, però que la síntesi de les MMP-1 i MMP-3 disminueix com a resposta d’una càrrega mecànica només en el cas del cartílag normal, suggerint que existeix una resposta diferencial a aquest estímul entre els teixits de cartílag humà sà i artròsic. A més, no es van trobar diferències significatives entre els nivells d’expressió d’agrecà i col·lagen II segons la pressió que suporta el cartílag (ja sigui sà o OA), però en canvi, la ràtio agrecà/col·lagen II era molt inferior en el cartílag OA respecte al sà. Els dos treballs següents es van centrar en l’estudi de l’acció d’MMP-13, la col·lagenasa amb major implicació en OA, en front a representants de les diferents famílies de SLRPs al llarg de l’evolució de la patologia, des del cartílag normal fins al severament degradat passant per estadis inicials i moderats. En primer lloc, els resultats varen mostrar que MMP-13 és capaç de degradar tant el biglicà com la fibromodulina, el lumicà, la decorina i l’opticina. D’entre aquests SLRPs, els substrats preferencials d’MMP-13 són la fibromodulina, el biglicà i l’opticina, amb una degradació ràpida i extensa que suggereix que són esdeveniments importants en els estadis inicials de la degeneració fibril·lar. En segon lloc, el nivell de degradació de la fibromodulina és superior en els cartílags danyats de forma severa o moderada, i la seva digestió genera un fragment específic en fases avançades de la malaltia (cartílag moderada o severament fibril·lat). En tercer lloc, es va demostrar per primera vegada que l’opticina s’expressa en els teixits articulars humans i de manera diferencial en teixit normal i artròsic, ja que els seus nivells són superiors en la zona superficial de la matriu del cartílag normal, suggerint que en OA l’opticina de la matriu es troba degradada, i que els condròcits del cartílag OA tendeixen a tenir nivells lleugerament més elevats de proteïna. Aquests estudis tenen repercussions directes en la clínica, ja que contribueixen activament a un millor coneixement del procés de degradació del cartílag, no només descrivint alguns mecanismes patològics que poden contribuir a millorar el tractament de l’OA, sinó també obrint noves vies a la identificació de biomarcadors que podrien establir una línia de temps en les diverses fases que es presenten al llarg del desenvolupament de la malaltia.

Osteoarthritis (OA) is a chronic disease characterized by the idiopathic degeneration of the joint. At the molecular level, the OA process involves a gradual depletion of collagen and proteoglycans (PGs) due to the action of tissue-degrading enzymes. Chondrocytes, even increasing their synthesis, cannot compensate this damage, which eventually leads to the loss of the extracellular matrix (ECM). The main enzymes involved in the degradation of the matrix are the matrix metalloproteases (MMPs) and agrecanases, which preferentially digest collagen type II and aggrecan, but they are also able to digest the small leucine-rich proteoglycans (SLRPs), a subtype of non-aggregated PGs. The rate at which synthesis or degradation occurs varies, however, depending on the different regions of the cartilage and on the mechanical stress to which it is subjected. In this thesis we focused on the study of the differences in the proteolysis of collagen and various matrix SLRPs in healthy human cartilages compared to OA cartilages, and we studied whether these differences vary depending on the degree of cartilage degradation and/or mechanical load to which they are subjected. In the first work, we observed that chondrocyte viability is not affected by the level of pressure supported by the joint, but the synthesis of MMP-1 and MMP-3 decreases in response to mechanical load only in the case of normal cartilage, suggesting that there is a differential response to this stimulus among healthy human cartilage tissue and OA. In addition, significant differences were not found between the expression levels of collagen II and aggrecan as a function of the pressure that the cartilage suffers (either healthy or OA), although the ratio of aggrecan/collagen II was lower in OA compared to healthy cartilage. The following two works were focused on the study of the action of MMP-13, the collagenase with the greatest involvement in OA, in front of members of the different families of SLRPs throughout the evolution of the disease, from normal to slightly, moderately, or severely degraded cartilage. Firstly, the results showed that MMP-13 is able to degrade biglycan, fibromodulin, lumican, decorin, and opticin. Among these SLRPs, the preferential substrates of MMP-13 are fibromodulin, biglycan, and opticin, with a rapid and extensive degradation suggesting that they are important events in the initial stages of fibril degeneration. Secondly, the level of fibromodulin degradation is higher in severely or moderately damaged cartilage, and its digestion generates a specific fragment in advanced stages of the disease (moderated or severely fibrilated cartilage). Thirdly, it was demonstrated for the first time that opticin is expressed in human articular tissues and in a differential manner in normal tissue or OA, as its levels are higher in the superficial zone of normal cartilage matrix, suggesting that in OA opticin is degraded, and that chondrocytes of OA cartilage tend to have slightly higher levels of protein. Our results have a direct impact on the clinical setting, as they actively contribute to a better understanding of the degradation of cartilage, not only describing some pathological mechanisms that can contribute to improve disease treatment, but also opening new paths to identify biomarkers that could establish a timeline for the various phases that occur during the development of OA.