Pathophysiology of osteoarthritis

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a multifactorial disease characterized by a progressive degeneration and eventual failure of the synovial joint functionality. Although it has been traditionally considered as an exclusive disease of the articular cartilage, nowadays it is considered as a whole joint disease. Therefore, the progression of the disease involves articular cartilage degeneration, osteochondral bone sclerosis and synovial membrane hypertrophy. Articular cartilage is a connective tissue resistant to tensile and shears strength that is composed of water (>70%) and a dense extracellular matrix (ECM) that encompasses the unique cellular type of the cartilage, the chondrocytes. The major component of the ECM is the collagen network consisting mainly of type II collagen fibers and type IX and XI collagen macromolecules attached to the surface of the fiber. Non-collagenous components such as GAGs, aggregated proteoglycans (mainly aggrecan) and small leucine rich proteoglycans (SLRP’s) are also binding the collagen fiber. Cartilage is a no innervated and also an avascular tissue, thus gets its nutrients by diffusion from the synovial fluid. Due to this condition, chondrocytes live in a hypoxic environment, and intracellular survival factors, such as hypoxia-inducible factor 1α, are required for maintenance of homeostasis and adaptation to the mechanical environment. Under physiological conditions, the collagen network and proteoglycan content is maintained by the chondrocytes. However, local and systemic risk factors could lead chondrocytes to fail to maintain the ECM and thus the cartilage tissue is progressively degraded. To this point, the three general objectives of this thesis are: 1. Collagenase-3 (COL3) also known as MMP13, is a matrix metalloproteinase abnormally over-expressed in pathological processes. Several COL3 transcripts are expressed in human chondrocytes although their role in OA is still unknown. This study aimed to characterize the presence of two non-canonical COL3 isoforms, named COL3-DEL (deleted form) and COL3-9B (exon 9 added form) in human OA cartilage, and to analyse their proteolytic activity. 2. Opticin (OPTC), a SLRP known to play a role in the assembly of the fibrillar collagens and the structural stability of the extracellular matrix, was previously demonstrated to be produced and degraded in osteoarthritic (OA) human cartilage. Here, we further investigated the OPTC role in OA cartilage by the study of the in vivo effect of OPTC deficiency in mouse model 3. Chondroitin sulfate (CS) is a Symptomatic Slow acting Drug against Osteoarthritis (SySADOA) with anti-inflammatory effects. In this study, we tried to unveil the mechanism of action on osteoarthritic synovial membrane.

The general discussion of this thesis is: OA is a heterogeneous disease that encloses multiple phenotypes. In order to develop new diagnostic and prognostic tools and eventually advance in the discovery of successful treatments, clearly defining the different phenotypes of OA is of great importance. In this line, the findings comprised in this thesis reveal two different approaches to identify patient’s subgroups. On one hand, and as described in chapter 1, the presence of a new discovered collagenase-3 (COL3) isoform (COL3-DEL) resulting from a mutation of the canonical COL3, could be used as an indicator of differential extracellular matrix degradation in human articular cartilage. On the other hand, results from chapter 2 suggest that the compositions of the members of SLRP super-family in the human extracellular matrix of the articular cartilage could be applied as a new tool for OA prognosis classification. Finally, the controversy regarding the efficacy of systemic treatment with nutraceuticals – including chondroitin sulfate - may arrive to an end if new tools are used to predict which patients are best suited for a given drug. Importantly, further work remains to be done to understand how to integrate these findings into a final and comprehensive concept that could explain the patient’s heterogeneity and the differential prognosis of OA disease.

L’artrosi (OA) és la malaltia articular més comuna i es caracteritza, principalment, per la destrucció del cartílag articular. El principal paper del cartílag articular és el de suportar les forces de tensió i compressió a les que es troba sotmès i que recau principalment en els seus components: el col·lagen i els proteoglicans. Durant el metabolisme normal del cartílag hi ha un equilibri entre la síntesi i degradació d’aquest components, però a l’artrosi, aquest equilibri es trenca i el metabolisme catabòlic supera l'anabòlic. Durant el desenvolupament de l'OA, els condròcits expressen la proteasa més involucrada en la degradació del cartílag, la MMP-13, que a diferència d’altres MMPs, en humans presenta 3 transcrits diferents. Malauradament, tot i la seva elevada prevalença, l'OA es troba orfe d’una bona tècnica diagnòstica, ja que actualment es realitza per mitjà de tècniques radiològiques que presenten l'inconvenient de que la malaltia només es reflecteix quan l’articulació es troba molt afectada. Actualment, els tractaments farmacològics més utilitzats són analgèsics, AINEs, i els nutracèutics, anomenats SYSADOA per les seves sigles en anglès (Symptomatic Slow Acting Drugs for Osteoarthritis) d’entre els que destaca el sulfat de glucosamina i el condroitin sulfat. Amb aquests antecedents previs, els objectius de la tesis són: 1. Demostrar la presència de 3 isoformes de MMP-13 en humans • Clonació (sistema Bac-to-bac) i purificació de les 3 isoformes en cèl·lules d’insecte (Sf9). • Producció d’anticossos policlonals específics de cada isoforma al Servei de Producció d’Anticossos de la UAB • Cerca de les isoformes en pacients artròsics per WB. • Comprovació de l’activitat de cada isoforma en front a diferents components matricials.

2. Estudiar l'efecte "in vivo" de la deleció del gen de l'Opticina en un model murí d'artrosi.

• Confirmar l'expressió de l' OPTC al cartílag articular dels ratolins. • Induïr OA mitjançant el mètode de destabilització del menisc medial (DMM) a ratolins Optc-/- i Optc +/+ de 10 setmanes d'edat. • Analitzar l'efecte de la deficiència de l'OPTC al desenvolupament de l'OA, evaluant la degradació del cartílag i la hipertròfia de la membrana sinovial, deu setmanes després de l'inducció de l'OA per DMM. • Comparar l'expressió de marcadors pro-inflamatoris, catabòlics i anabòlics entre ratolins Optc-/- i Optc+/+. • Analitzar la producció al cartílag de differents SLRPs. • Analitzar l'organització i l'ultraestructura de les fibres de colàgen.

3. Estudiar l'efecte anti-angiogenic del condroitin sulfat en sinoviòcits sota condicions d'hipòxia i d'hipòxia més inflamació.

• Mimetitzar condicions inflamatòries i d'hipòxia "in vitro" en sinoviòcits humans. • Estudiar l'expressió i la producció de mediadors angiogènics per sinoviòcits artròsics sota condicions d'hipòxia i inflamació. • Estudiar l'efecte del pretractament del CS en cultius de sinoviòcits humans artròsics • Estudiar l'interacció entre els sinoviòcits artròsics i les cèl·lules endotelials sota hipòxia i inflamació, amb o sense pretractament de CS.

L'artrosi és una malaltia que engloba diferents fenotips, però tots comparteixen una sèrie de característiques com la degeneració del cartílag articular, inflamació de la membrana sinovial i esclerosi de l'ós subcondral. Aquestes característiques resulten en un conjunt de símptomes que impedeixen la correcte mobilitat del pacient i creen dolor que pot arribar a ser crònic. Alhora de desenvolupar noves eines de diagnòstic i prognòstic i eventualment avançar en el descobriment de tractaments exitosos, definir clarament els diferents fenotips de l'artrosi és de gran interès. En aquesta línia, els descobriments compresos en aquesta tesis revelen dues possibles maneres d'identificar subgrups de pacients. Per una part, com es descriu al capítol 1, la presència d'una nova isoforma de la colagenasa-3 podria utilitzar-se com a un indicador de diferencies en la degradació matricial del cartíleg humà articular. Per una altre banda, els resultats del capítol 2 suggereixen que la composició dels membres de la famíla de SLRP a la matriu extracel·lular del cartíleg podria aplicar-se com a una nova eina de classificació del prognòstic de la malaltia artròsic. Finalment, la controversia sobre l'eficàcia del tractament amb nutracèutics com el condroitin sulfat podria arribar a solucionar-se si es descobreixen noves eines per predir quins pacients poden respondre millor a un medicament donat. És important tenir en compte que s'ha de continuar investigant per entendre com integrar aquests resultats en un concepte final que pogués explicar l'heterogeneïtat dels pacients i les diferències en el prognòstic de l'artrosi.