Fabrication and Repair of Cartilage Defects with a Novel Acellular Cartilage Matrix Scaffold

The objectives of this study were to develop a three-dimensional acellular cartilage matrix (ACM) and investigate its possibility for use as a scaffold in cartilage tissue engineering. Bovine articular cartilage was decellularized sequentially with trypsin, nuclease solution, hypotonic buffer, and Triton x 100 solution; molded with freeze-drying process; and cross-linked by ultraviolet irradiation. Histological and biochemical analysis showed that the ACM was devoid of cells and still maintained the collagen and glycosaminoglycan components of cartilage. Scanning electronic microscopy and mercury intrusion porosimetry showed that the ACM had a sponge-like structure of high porosity. The ACM scaffold had good biocompatibility with cultured rabbit bone marrow mesenchymal stem cells with no indication of cytotoxicity both in contact and in extraction assays. The cartilage defects repair in rabbit knees with the mesenchymal stem cell-ACM constructs had a significant improvement of histological scores when compared to the control groups at 6 and 12 weeks. In summary, the ACM possessed the characteristics that afford it as a potential scaffold for cartilage tissue engineering.

The complex effects of the slow-releasing hydrogen sulfide donor GYY4137 in a model of acute joint inflammation and in human cartilage cells

The role of hydrogen sulfide (H2 S) in inflammation remains unclear with both pro- and anti-inflammatory actions of this gas described. We have now assessed the effect of GYY4137 (a slow-releasing H2 S donor) on lipopolysaccharide (LPS)-evoked release of inflammatory mediators from human synoviocytes (HFLS) and articular chondrocytes (HAC) in vitro. We have also examined the effect of GYY4137 in a complete Freund's adjuvant (CFA) model of acute joint inflammation in the mouse. GYY4137 (0.1-0.5 mM) decreased LPS-induced production of nitrite (NO2 (-) ), PGE2 , TNF-a and IL-6 from HFLS and HAC, reduced the levels and catalytic activity of inducible nitric oxide synthase (iNOS) and cyclooxygenase-2 (COX-2) and reduced LPS-induced NF-?B activation in vitro. Using recombinant human enzymes, GYY4137 inhibited the activity of COX-2, iNOS and TNF-a converting enzyme (TACE). In the CFA-treated mouse, GYY4137 (50 mg/kg, i.p.) injected 1 hr prior to CFA increased knee joint swelling while an anti-inflammatory effect, as demonstrated by reduced synovial fluid myeloperoxidase (MPO) and N-acetyl-ß-D-glucosaminidase (NAG) activity and decreased TNF-a, IL-1ß, IL-6 and IL-8 concentration, was apparent when GYY4137 was injected 6 hrs after CFA. GYY4137 was also anti-inflammatory when given 18 hrs after CFA. Thus, although GYY4137 consistently reduced the generation of pro-inflammatory mediators from human joint cells in vitro, its effect on acute joint inflammation in vivo depended on the timing of administration.

Detection of mineralized structures in very early stages of development of Marine Teleostei using a modified Alcian blue-Alizarin red double staining technique for bone and cartilage

We have developed a procedure for staining cartilage and bone in fish larvae as small as 2 mm (notochord length), for which standard alcian blue/alizarin red procedures did not give positive and/or consistent results. Small calcified structures only 100-200 pm in length can be clearly visualized. The method is suitable for both ontogenic studies during early stages of skeletal development in most marine fishes (e.g., Sparus aurata L., Solea senegalensis Kaup), whose larvae at hatching are often only a few millimeters long and for detecting skeletal abnormalities in small larvae. This procedure can also be used for specimens that have been preserved in 1000/0 ethanol for up to two years.

Le potentiel thérapeutique du GDF-5 dans l’arthrose : une étude in vitro des facteurs anaboliques et cataboliques du cartilage

Introduction: Le principal objectif de cette étude est de mesurer l’effet du GDF-5 sur l’homéostasie du cartilage. Le GDF-5 est un gène de susceptibilité de l’OA faisant partie de la famille des BMPs et qui favorise la synthèse du cartilage. Le but de notre étude a été de déterminer l’effet du GDF-5 sur le métabolisme catabolique ainsi que sur l’équilibre global des chondrocytes, principalement au niveau de l’Aggrécan. Méthode : Des chondrocytes arthrosiques canins et humains OA ont été exposés au GDF-5. L’expression des ARNm et des protéines a été analysée afin d’évaluer la production de l’Aggrécan et le ratio Col-II/Col-I au niveau des facteurs anaboliques et du phénotype. Pour le catabolisme, l’expression et l’activité des aggrécanases ADAMTS-4 et ADAMTS-5 ont été mesurées. Les épitopes NITEGE et CTX-II ont aussi été quantifiés dans le liquide synovial canin après des injections intraarticulaires de GDF-5. Résultats : Le GDF-5 provoque une augmentation de l’activité cellulaire des chondrocytes canins et humains. Pour les ARNm et l’expression protéique, le GDF-5 augmente l’expression de l’Aggrécan alors que les facteurs cataboliques le diminuent. Le phénotype reste inchangé en présence du produit, sauf à haute dose où on augmente le ColI. L’activité des aggrécanases diminue puisque l’épitope NITEGE diminue alors que le CTX-II augmente dans l’articulation. Conclusion : En somme, les facteurs anaboliques du cartilage sont favorisés, alors que les facteurs cataboliques sont diminués par le GDF-5. Cette action double permet d’illustrer l’effet du GDF-5, le classant comme un potentiel médicament modifiant la maladie de l’OA qui mérite d’être étudiée.

The role of PPARgamma in cartilage growth and development using cartilage-specific PPARgamma knockout mice

Le cartilage est un tissu conjonctif composé d’une seule sorte de cellule nommée chondrocytes. Ce tissu offre une fondation pour la formation des os. Les os longs se développent par l'ossification endochondral. Ce processus implique la coordination entre la prolifération, la différenciation et l'apoptose des chondrocytes, et résulte au remplacement du cartilage par l'os. Des anomalies au niveau du squelette et des défauts liés à l’âge tels que l’arthrose (OA) apparaissent lorsqu’il y a une perturbation dans l’équilibre du processus de développement. À ce jour, les mécanismes exacts contrôlant la fonction et le comportement des chondrocytes pendant la croissance et le développement du cartilage sont inconnus. Le récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est un facteur de transcription impliqué dans l'homéostasie des lipides. Plus récemment, son implication a aussi été suggérée dans l'homéostasie osseuse. Cependant, le rôle de PPARγ in vivo dans la croissance et le développement du cartilage est inconnu. Donc, pour la première fois, cette étude examine le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la croissance et le développement du cartilage. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle au cartilage du gène PPARγ. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Les analyses des souris ayant une délétion au PPARγ aux stades embryonnaire et adulte démontrent une réduction de la croissance des os longs, une diminution des dépôts de calcium dans l’os, de la densité osseuse et de la vascularisation, un délai dans l’ossification primaire et secondaire, une diminution cellulaire, une perte d’organisation colonnaire et une diminution des zones hypertrophiques, une désorganisation des plaques de croissance et des chondrocytes déformés. De plus, la prolifération et la différenciation des chondrocytes sont anormales. Les chondrocytes et les explants isolés du cartilage mutant démontrent une expression réduite du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF)-A et des éléments de production de la matrice extracellulaire. Une augmentation de l’expression de la métalloprotéinase matricielle (MMP)-13 est aussi observée. Dans les souris âgées ayant une délétion au PPARγ, y est aussi noté des phénotypes qui ressemblent à ceux de l’OA tel que la dégradation du cartilage et l'inflammation de la membrane synoviale, ainsi qu’une augmentation de l’expression de MMP-13 et des néoépitopes générés par les MMPs. Nos résultats démontrent que le PPARγ est nécessaire pour le développement et l’homéostasie du squelette. PPARγ est un régulateur essentiel pour la physiologie du cartilage durant les stades de croissance, de développement et de vieillissement.

Changements matriciels dans le cartilage de l'épiphyse en développement : un événement précoce dans la pathogénie de l'ostéochondrose équine ?

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Homéostasie phosphocalcique et vitamine D : effets sur le cartilage de croissance par la mesure des paramètres physiques, biochimiques et géniques liés à la croissance osseuse

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Développement du cartilage articulaire équin du fœtus à l’adulte : imagerie par résonance magnétique et microscopie en lumière polarisée

La structure du cartilage articulaire adulte est caractérisée par la présence de couches créées par l’orientation des fibres de collagène (Benninghoff, 1925). Avant de présenter la structure adulte classique en arcades “de Benninghoff”, le cartilage subit une série de changements au cours de sa maturation (Julkunen et al., 2010; Lecocq et al., 2008). Toutefois, un faible nombre d’études s’est intéressé à la structure du collagène du cartilage articulaire in utero. Notre objectif était d’étudier la maturation de la surface articulaire de l’épiphyse fémorale distale chez le cheval, en employant à la fois l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la microscopie en lumière polarisée après coloration au rouge picrosirius, au niveau de sites utilisés dans les études de réparation tissulaire et de sites prédisposés à l’ostéochondrose (OC). Le but était de décrire le développement normal du réseau de collagène et la relation entre les images IRM et la structure histologique. Des sections provenant de cinq sites de l’épiphyse fémorale distale de 14 fœtus et 10 poulains et adultes ont été colorées au rouge picrosirius, après que le grasset ait été imagé par IRM, dans l’optique de visualiser l’agencement des fibres de collagène de type II. Les deux modalités utilisées, IRM et microscopie en lumière polarisée, ont démontré la mise en place progressive d’une structure en couches du réseau de collagène, avant la naissance et la mise en charge de l’articulation.

L’injection percutanée de cartilage sur le dorsum nasal chez le lapin

Abstract: Objective: To compare the long-term viability of percutaneously injected crushed auricular cartilage to surgically implanted cartilage in the rabbit. Methods: Auricular cartilage was harvested bilaterally in 10 New Zealand white rabbits. A 1 cm2 cartilage graft was harvested and implanted surgically on the upper nasal dorsum. The remaining cartilage was crushed and percutaneously injected on the lower nasal dorsum. Volume and mass of each graft were compared between pre-implantation and after 3 months of observation. A histological study was conducted to evaluate chondrocyte viability and degree of fibrosis on the grafts. Results: Mass and volume remained similar for surgically implanted cartilage grafts. Mass and volume diminished by an average of 47% and 40% respectively after 3 months for the injected crushed cartilage grafts. Chondrocyte viability was an average of 25% lower in the injected grafts. Conclusion: Cartilage injection is a promising technique that must be refined to increase long term chondrocyte viability. Developing an appropriate injection apparatus would improve this technique.

Identification et caractérisation des principaux fragments du collagène de type II du cartilage équin, produit in vitro par l'enzyme cathepsine K

La dégradation protéolytique du collagène de type II est considérée comme étant un facteur majeur dans le processus irréversible de dégradation de la matrice cartilagineuse lors d’ostéoarthrose. Outre les collagénases de la famille des métaloprotéinases de la matrice (MMP-1, -8, -13), la cathepsine K est parmi les seules enzymes susceptibles de dégrader la triple hélice intacte du collagène de type II, devenant ainsi un élément pertinent pour les recherches sur l’ostéoarthrose. L’objectif à court terme de notre étude consiste en l’identification et la caractérisation de sites de clivage spécifiques de la cathepsine K sur le collagène de type II équin. La technique d’électrophorèse SDS-PAGE 1D permet la visualisation des produits de digestion et la validation des résultats de la caractérisation moléculaire des fragments protéolytiques. La caractérisation est réalisée en combinant la digestion trypsique précédant l’analyse HPLC-ESI/MS. Les résultats ont permis d’établir les sites, présents sur la carte peptidique de la molécule de collagène de type II équin, des 48 résidus prolines (P) et 5 résidus lysines (K) supportant une modification post-traductionnelle. De plus, 6 fragments majeurs, différents de ceux produits par les MMPs, sont observés par SDS-PAGE 1D puis confirmés par HPLC-ESI/MS, correspondant aux sites suivants : F1 [G189-K190], F2 [G252-P253], F3 [P326-G327], F4 [P428-G429], F5 [P563-G564] et F6 [P824-G825]. Le fragment F1 nouvellement identifié suggère un site de clivage différent de l’étude antérieure sur le collagène de type II bovin et humain. L’objectif à long terme serait le développement d’anticorps spécifiques au site identifié, permettant de suivre l’activité protéolytique de la cathepsine K par immunohistochimie et ÉLISA, dans le cadre du diagnostic de l’ostéoarthrose.

Selective inhibition of inducible nitric oxide synthase prevents lipid peroxidation in cartilage from patients with osteoarthritis.

INTRODUCTION: Emerging evidence indicates that nitric oxide (NO), which is increased in osteoarthritic (OA) cartilage, plays a role in 4-hydroxynonenal (HNE) generation through peroxynitrite formation. HNE is considered as the most reactive product of lipid peroxidation (LPO). We have previously reported that HNE levels in synovial fluids are more elevated in knees of OA patients compared to healthy individuals. We also demonstrated that HNE induces a panoply of inflammatory and catabolic mediators known for their implication in OA cartilage degradation. The aim of the present study was to investigate the ability of inducible NO synthase (iNOS) inhibitor, L-NIL (L-N6-(L-Iminoethyl)Lysine), to prevent HNE generation through NO inhibition in human OA chondrocytes. METHOD: Cells and cartilage explants were treated with or without either an NO generator (SIN or interleukin 1beta (IL-1β)) or HNE in absence or presence of L-NIL. Protein expression of both iNOS and free-radical-generating NOX subunit p47 (phox) were investigated by western blot. iNOS mRNA detection was measured by real-time RT-PCR. HNE production was analysed by ELISA, Western blot and immunohistochemistry. S-nitrosylated proteins were evaluated by Western Blot. Prostaglandin E2 (PGE2) and metalloproteinase 13 (MMP-13) levels as well as glutathione S-transferase (GST) activity were each assessed with commercial kits. NO release was determined using improved Griess method. Reactive oxygen species (ROS) generation was revealed using fluorescent microscopy with the use of commercial kits. RESULTS: L-NIL prevented IL-1β-induced NO release, iNOS expression at protein and mRNA levels, S-nitrosylated proteins and HNE in a dose dependent manner after 24h of incubation. Interestingly, we revealed that L-NIL abolished IL-1β-induced NOX component p47phox as well as ROS release. The HNE-induced PGE2 release and both cyclooxygenase-2 (COX-2) and MMP-13 expression were significantly reduced by L-NIL addition. Furthermore, L-NIL blocked the IL-1β induced inactivation of GST, an HNE-metabolizing enzyme. Also, L-NIL prevented HNE induced cell death at cytotoxic levels. CONCLUSION: Altogether, our findings support a beneficial effect of L-NIL in OA by preventing LPO process in NO-dependent and/or independent mechanisms.

Influence of the lateral pterygoid muscle on the growth of the mandibular condilar cartilage

At the end of the last century, a model to explain clinical observations related to the mandibular growth was developed. According to it, the lateral pterigoid muscle (LPM) was one of the main modulators of the differentiation of mesenquimal cells inside the condyle to condroblasts or osteoblasts, and therefore of the growth of the mandibular condilar cartilage (CCM). The main components of the model were the humoral and the mechanical. Nowadays, the humoral would include growth factors such as IGF-I, FGF-2 and VEGF, which seem to be involved in mandibular growth. Since skeletal muscle can secrete these growth factors, there is a possibility that LPM modulates the growth of CCM by a paracrine or endocrine mechanism. The mechanical component derived from the observations that both the blood flow inside the temporomandibular joint (ATM) and the action of the retrodiscal pad on the growth of the CCM, depend, in part, on the contractile activity of the LPM. Despite the fact that there are some results suggesting  hat LPM is activated under conditions of mandibular protrusion, there is no full agreement on whether this can stimulate the growth of CCM. In this review, the contributions and limitations of the works related to mandibular growth are discussed and a model which integrates the available information to explain the role of the LPM in the growth of the CCM is proposed.

The Mobility of Chondroitin Sulfate in Articular and Artificial Cartilage Characterized by (13)C Magic-Angle Spinning NMR Spectroscopy

We have studied the molecular dynamics of one of the major macromolecules in articular cartilage, chondroitin sulfate. Applying (13)C high-resolution magic-angle spinning NMR techniques, the NMR signals of all rigid macromolecules in cartilage can be suppressed, allowing the exclusive detection of the highly mobile chondroitin sulfate. The technique is also used to detect the chondroitin sulfate in artificial tissue-engineered cartilage. The tissue-engineered material that is based on matrix producing chondrocytes cultured in a collagen gel should provide properties as close as possible to those of the natural cartilage. Nuclear relaxation times of the chondroitin sulfate were determined for both tissues. Although T(1) relaxation times are rather similar, the T(2) relaxation in tissue-engineered cartilage is significantly shorter. This suggests that the motions of chondroitin sulfate in data:rat and artificial cartilage different. The nuclear relaxation times of chondroitin sulfate in natural and tissue-engineered cartilage were modeled using a broad distribution function for the motional correlation times. Although the description of the microscopic molecular dynamics of the chondroitin sulfate in natural and artificial cartilage required the identical broad distribution functions for the correlation times of motion, significant differences in the correlation times of motion that are extracted from the model indicate that the artificial tissue does not fully meet the standards of the natural ideal. This could also be confirmed by macroscopic biomechanical elasticity measurements. Nevertheless, these results suggest that NMR is a useful tool for the investigation of the quality of artificially engineered tissue. (C) 2010 Wiley Periodicals, Inc. Biopolymers 93: 520-532, 2010.