Mithramycin downregulates proinflammatory cytokine-induced matrix metalloproteinase gene expression in articular chondrocytes

Affiliation: Département de Médecine, Faculté de médecine, Université de Montréal & Centre de Recherche du Centre Hospitalier de l'Université de Montréal (CHUM), Hôpital Notre-Dame du CHUM

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.

Rôle du récepteur REG/EXTL3 dans l’inflammation et son implication possible dans l’ostéoarthrose (OA)

L’ostéoarthrose (OA) est une maladie articulaire dont l’incidence augmente avec le vieillissement de la population. Elle se caractérise par une détérioration progressive du cartilage articulaire accompagnée du remodelage de l’os sous-chondral et du changement des tissus mous de l’articulation. La douleur et le dysfonctionnement de l’articulation affectée sont généralement attribués à l’inflammation et l’épanchement de la synovie. Plusieurs évidences indiquent que l’inflammation de la membrane synoviale contribue grandement à la pathogenèse de l’OA. En effet, la synthèse et l’expression des enzymes protéolytiques qui dégradent la matrice cartilagineuse sont régulées par de nombreuses cytokines retrouvées au sein de ce foyer inflammatoire. Deux d’entre elles, l’interleukine-1 beta (IL-1β) et le «tumor necrosis factor » alpha (TNF-α), jouent un rôle majeur dans le déclenchement de l’inflammation associée à l’OA. Ces cytokines pro-inflammatoires agissent notamment sur les synoviocytes et les chondrocytes en activant NF-κB qui, à son tour, active les gènes de cytokines. Cette boucle de régulation positive amplifie et perpétue la réponse inflammatoire. Récemment, il a été rapporté que l’activation de NF-κB par TNF-α peut être potentialisée par EXTL3, un récepteur transmembranaire ; mais le mécanisme sous-jacent de cet effet demeure inconnu. Toutefois, les niveaux important d’EXTL3 et de son ligand Reg1B chez les patients arthrosiques, laissent croire que ces protéines jouent un rôle dans le développement de l’OA. Notre objectif était d’étudier le mécanisme par lequel EXTL3 amplifie l’activation de NF-κB par TNF-α et d’examiner si ce phénomène se produit aussi avec l’IL-1β. Nous avons utilisé les cellules C28/I2, une lignée cellulaire de chondrocytes, comme modèle d’étude. Les transfections transitoires avec un vecteur d’expression, les techniques d’immunofluorescence (IF), d’immunoprécipitation (IP) et d’immunobuvardage de type Western (IB); ont été utilisées dans le cadre de diverses approches expérimentales. Les résultats obtenus par transfection ont révélé que la protéine EXTL3 potentialisait l’activation de NF-κB aussi bien par IL-1β que par TNF-α. Ce résultat signifie que la potentialisation de l’activité NF-κB par EXTL3 n’est pas spécifique à TNF-α. D’autre part, l’IP avec TNFRI et TRAF2 a révélé la présence d’EXTL3 dans le complexe TNF-α/TNFRI/TRAF2 qui se forme au niveau de la membrane plasmique. De plus, ceci a été confirmé in vivo par microscopie confocale montrant la co-localisation de TNFRI-TRAF2-EXTL3 dans la membrane nucléaire, suggérant ainsi la formation d’un complexe identique au niveau des membranes plasmique et nucléaires. Toutefois, la présence du ligand Reg1B et/ou de la glucosamine inhibait la formation de ce complexe au niveau de la membrane plasmique, tout comme ils abolissaient la potentialisation de l’activité NF-κB par EXTL3. Ces résultats suggèrent non seulement que le recrutement d’EXTL3 libre dans le complexe TNF-α/TNFR1 est requis pour amplifier l’activation de NF-κB par TNF-α, mais aussi la capacité du ligand Reg1B et de la glucosamine à moduler cette activation à travers la baisse ou l’inhibition de l’interaction EXTL3-TNFR1. Les données de cette étude constituent une avancée majeure dans la compréhension des événements moléculaires qui contrôlent l’activation de NF-κB par les cytokines pro-inflammatoires. Ces résultats pourraient conduire au développement de nouvelles approches thérapeutiques pour le traitement de l’inflammation associée à l’OA et impliquant une activation incessante de NF-κB.

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.

The role of transcription factor Nrf2 in osteoarthritis

Introduction: L'arthrose est caractérisée par une destruction progressive du cartilage, une inflammation synoviale, et un remodelage de l’os sous-chondral avec une production excessive des médiateurs inflammatoires et cataboliques. Nous avons démontré que le niveau du 4-hydroxynonénal (4-HNE), un produit de la peroxydation lipidique, est augmenté dans le cartilage humain arthrosique sans qu’on sache le mécanisme exacte impliqué dans l’augmentation de cette molécule. Des données de la littérature indiquent que l’accumulation du HNE est contrôlée par l’action de la glutathione S-transférase A4-4 (GSTA4-4), une enzyme impliquée dans la détoxification du HNE. Au niveau transcriptionel, l’expression de cette enzyme est régulée par la transactivation du facteur de transcription Nrf2. Objectif: L’objectif de cette étude vise à démontrer que l’augmentation du HNE dans le cartilage arthrosique est attribuée, en partie, à l’altération de l’expression de la GSTA4-4 et de Nrf2. Méthode: Le niveau d’expression de la GSTA4-4 et de Nrf2 a été mesurée par Western blot et par PCR en temps réel dans le cartilage humain arthrosique et dans le cartilage provenant des souris atteintes d’arthrose. Pour démontrer le rôle du Nrf2 dans l’arthrose, les chondrocytes humains arthrosiques ont été traités par l’interleukine 1beta (IL-1β) ou par le H2O2 en présence ou en absence des activateurs du Nrf2 tels que le Protandim®, AI, et du 6-Gingérol. Par ailleurs, les chondrocytes ont été transfectés par un vecteur d’expression de Nrf2 puis traités par l’IL-β. En utilisant le modèle d’arthrose chez la souris, les animaux ont été traités par voie orale de 10 mg/kg/jour de Protandim® pendant 8 semaines. Résultats: Nous avons observé une diminution significative de l’expression de la GSTA4-4 et de Nrf2 dans le cartilage humain et murin arthrosique. L'activation de Nrf2 bloque la stimulation de la métalloprotéinase-13 (MMP-13), la prostaglandine E2 (PGE2) et de l'oxyde nitrique (NO) par l’IL-1β. En outre, nous avons montré que l'activation Nrf2 protège les cellules contre la mort cellulaire induite par H2O2. Fait intéressant, l'administration orale de Protandim® réduit la production du HNE par l'intermédiaire de l’activation de la GSTA4. Nous avons démontré que le niveau d’expression de la GSTA4-4 et de Nrf2 diminue dans le cartilage provenant des patients et des souris atteints d’arthrose. De plus, la surexpression de ce facteur nucléaire Nrf2 empêche la production du HNE et la MMP-13 et l’inactivation de la GSTA4-4. Dans notre modèle expérimental d’arthrose induite par déstabilisation du ménisque médial chez la souris, nous avons trouvé que l'administration orale de Protandim® à 10 mg / kg / jour réduit les lésions du cartilage. Conclusion: Cette étude est de la première pour démontrer le rôle physiopathologique du Nrf2 in vitro et in vivo. Nos résultats démontrent que l’activation du Nrf2 est essentielle afin de maintenir l’expression de la GSTA4-4 et de réduire le niveau du HNE. Le fait que les activateurs du Nrf2 abolissent la production de la HNE et aussi un certain nombre de facteurs connus pour être impliqués dans la pathogenèse de l’arthrose les rend des agents cliniquement utiles pour la prévention de la maladie.

RADIOGRAFIA E MACROSCOPIA do JOELHO APÓS ESTABILIZAÇÃO EXTRA-ARTICULAR UTILIZANDO FÁSCIA LATA, FIO DE POLIÉSTER TRANÇADO OU FIO DE POLIAMIDA PARA CORREÇÃO da RUPTURA do LIGAMENTO CRUZADO CRANIAL em CÃES

A ruptura do ligamento cruzado cranial é uma das principais doenças ortopédicas que afetam os cães. Muitas técnicas cirúrgicas foram descritas no intuito de aliviar a dor, restaurar a estabilidade biomecânica do joelho e prevenir a progressão da osteoartrite. Fáscia lata, fio de poliéster trançado e fio de poliamida foram empregados na estabilização do joelho após excisão do ligamento cruzado cranial em cães, os quais foram submetidos à avaliação radiográfica e macroscópica da articulação. Neste estudo, foram utilizados 18 cães com massa corporal superior a 15Kg (peso médio - 19,67kg), separados em 3 grupos eqüitativos correspondentes a cada técnica, avaliados durante 30 e 60 dias. Ao exame radiográfico, independentemente de grupo, os cães apresentaram evidência de efusão articular moderada a severa, distensão da cápsula articular e, na maioria dos casos, ausência de sinais de doença articular degenerativa. Ao exame macroscópico da articulação do joelho observou-se espessamento da cápsula articular e tecidos moles periarticulares, erosão da cartilagem articular dos côndilos femorais em todos os grupos e afrouxamento dos fios nos cães submetidos às técnicas de estabilização extra-articular com fio de poliéster trançado e fio de poliamida.

Estudo comparativo do uso de meloxicam por via intra-articular e sistêmica no controle da osteoartrite experimentalmente induzida em joelho de coelhos

Objective: This study aimed to evaluate morphologic changes, as well as chondroprotective and intra-articular effects of meloxicam on joint repair in rabbits induced by experimental trochleoplasty, minimizing possible adverse side effects. Methods: Thirty-five rabbits were divided into four groups: the control group, which did not undergo surgery, and operated groups, which used different ways of administering the anti-inflammatory agent: systemic, 0.2 mg/kg; intra-articular, 0.5 mg/kg; positive group control, without meloxicam. Each operated group was divided according to the periods of 7 or 30 days evaluation after surgery. Results: Regarding macroscopic and histological evaluation of cartilage, after 30 days, most animals showed almost complete joint repair, the presence of few or no inflammatory cells; whereas part of the animals treated with meloxicam presented necrosis in the trochlear ridge and absence of inflammatory cells after 7 days. In positive control group, it was observed moderate inflammation and connective tissue proliferation. None of the animals in the operated groups showed irregularities 30 days after surgery. Conclusion: Either intra-articular or systemic, meloxicam revealed to be favorable to be used for joint repair and control of inflammatory reaction. © 2013 Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia.

3D osteoarthritic changes in TMJ condylar morphology correlates with specific systemic and local biomarkers of disease

Objective: To assess 3D morphological variations and local and systemic biomarker profiles in subjects with a diagnosis of temporomandibular joint osteoarthritis (TMJ OA).Design: Twenty-eight patients with long-term TMJ OA (39.9 +/- 16 years), 12 patients at initial diagnosis of OA (47.4 +/- 16.1 years), and 12 healthy controls (41.8 +/- 12.2 years) were recruited. All patients were female and had cone beam CT scans taken. TMJ arthrocentesis and venipuncture were performed on 12 OA and 12 age-matched healthy controls. Serum and synovial fluid levels of 50 biomarkers of arthritic inflammation were quantified by protein microarrays. Shape Analysis MANCOVA tested statistical correlations between biomarker levels and variations in condylar morphology.Results: Compared with healthy controls, the OA average condyle was significantly smaller in all dimensions except its anterior surface, with areas indicative of bone resorption along the articular surface, particularly in the lateral pole. Synovial fluid levels of ANG, GDF15, TIMP-1, CXCL16, MMP-3 and MMP-7 were significantly correlated with bone apposition of the condylar anterior surface. Serum levels of ENA-78, MMP-3, PAI-1, VE-Cadherin, VEGF, GM-CSF, TGF beta b1, IFN gamma g, TNF alpha a, IL-1 alpha a, and IL-6 were significantly correlated with flattening of the lateral pole. Expression levels of ANG were significantly correlated with the articular morphology in healthy controls.Conclusions: Bone resorption at the articular surface, particularly at the lateral pole was statistically significant at initial diagnosis of TMJ OA. Synovial fluid levels of ANG, GDF15, TIMP-1, CXCL16, MMP-3 and MMP-7 were correlated with bone apposition. Serum levels of ENA-78, MMP-3, PAI-1, VE-Cadherin, VEGF, GM-CSF, TGF beta 1, IFN gamma, TNF alpha, IL-1 alpha, and IL-6 were correlated with bone resorption. Published by Elsevier Ltd on behalf of Osteoarthritis Research Society International.

Estratégias tolerogênicas antígeno-específicas visando profilaxia e terapia na artrite autoimune experimental

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Role of transient receptor potential vanilloid 4 in rat joint inflammation

Objective To determine whether activation of transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV-4) induces inflammation in the rat temporomandibular joint (TMJ), and to assess the effects of TRPV-4 agonists and proinflammatory mediators, such as a protease-activated receptor 2 (PAR-2) agonist, on TRPV-4 responses. Methods Four hours after intraarticular injection of carrageenan into the rat joints, expression of TRPV-4 and PAR-2 in trigeminal ganglion (TG) neurons and in the TMJs were evaluated by real-time reverse transcriptionpolymerase chain reaction and immunofluorescence, followed by confocal microscopy. The functionality of TRPV-4 and its sensitization by a PAR-2activating peptide (PAR-2AP) were analyzed by measuring the intracellular Ca2+ concentration in TMJ fibroblast-like synovial cells or TG neurons. Plasma extravasation, myeloperoxidase activity, and the head-withdrawal threshold (index of mechanical allodynia) were evaluated after intraarticular injection of selective TRPV-4 agonists, either injected alone or coinjected with PAR-2AP. Results In the rat TMJs, TRPV-4 and PAR-2 expression levels were up-regulated after the induction of inflammation. Two TRPV-4 agonists specifically activated calcium influx in TMJ fibroblast-like synovial cells or TG neurons. In vivo, the agonists triggered dose-dependent increases in plasma extravasation, myeloperoxidase activity, and mechanical allodynia. In synovial cells or TG neurons, pretreatment with PAR-2AP potentiated a TRPV-4 agonistinduced increase in [Ca2+]i. In addition, TRPV-4 agonistinduced inflammation was potentiated by PAR-2AP in vivo. Conclusion In this rat model, TRPV-4 is expressed and functional in TG neurons and synovial cells, and activation of TRPV-4 in vivo causes inflammation in the TMJ. Proinflammatory mediators, such as PAR-2 agonists, sensitize the activity of TRPV-4. These results identify TRPV-4 as an important signal of inflammation in the joint.

Synovial fluid chondroitin sulphate indicates abnormal joint metabolism in asymptomatic osteochondritic horses

Reasons for performing study: Alternative methods to evaluate the joint condition in asymptomatic osteochondrosis dissecans (OCD) and other joint diseases may be useful. Objectives: To investigate possible changes in synovial fluid composition that may lead to joint conditions in asymptomatic OCD, in mature horses. Methods: Animals aged >2 years, of different breeds, with OCD in the intermediate ridge of distal tibia, symptomatic or not, were studied. Synovial fluid samples (10 healthy; 11 asymptomatic OCD; 25 symptomatic OCD) were collected by arthroscopy from 29 horses. Glycosaminoglycans (GAGs) were analysed by a combination of agarose gel electrophoresis and enzymatic degradation with specific GAG lyases. The viscosity, white blood cell (WBC) count, protein concentration and hyaluronic acid (HA) molecular weight were also determined. Results: The method used here to analyse synovial fluid GAGs is reliable, reproducible and specific. The main synovial fluid GAGs are HA and chondroitin sulphate (CS), 93% and 7% respectively in normal horses. In symptomatic OCD, the concentrations of both increased (expressed as GAG/urea ratios), but CS increased more. The CS increased also in asymptomatic OCD. An inflammatory reaction was suggested by the increased WBC counts in OCD. The molecular weight of the synovial fluid HA was reduced in OCD, explaining the lower viscosity observed. Conclusions: The increased CS in synovial fluid of OCD joints in mature horses suggests that the synovial fluid CS and the WBC count are good markers of the joint conditions, allowing the identification of pathological phase in joint diseases. Potential relevance: The analysis of synovial fluid GAGs shows that cartilage damage occurs even in asymptomatic OCD, implying that arthroscopic removal of osteochondral fragments should be performed even in asymptomatic OCD.

Molecular basis of Osteoarthritis and aspects of cellular senescence in disease

The aim of this study is to investigate on some molecular mechanisms contributing to the pathogenesis of osteoarthritis (OA) and in particular to the senescence of articular chondrocytes. It is focused on understanding molecular events downstream GSK3β inactivation or dependent on the activity of IKKα, a kinase that does not belong to the phenotype of healthy articular chondrocytes. Moreover, the potential of some nutraceuticals on scavenging ROS thus reducing oxidative stress, DNA damage, and chondrocyte senescence has been evaluated in vitro. The in vitro LiCl-mediated GSK3β inactivation resulted in increased mitochondrial ROS production, that impacted on cellular proliferation, with S-phase transient arrest, increased SA-β gal and PAS staining, cell size and granularity. ROS are also responsible for the of increased expression of two major oxidative lesions, i.e. 1) double strand breaks, tagged by γH2AX, that associates with activation of GADD45β and p21, and 2) 8-oxo-dG adducts, that associate with increased IKKα and MMP-10 expression. The pattern observed in vitro was confirmed on cartilage from OA patients. IKKa dramatically affects the intensity of the DNA damage response induced by oxidative stress (H2O2 exposure) in chondrocytes, as evidenced by silencing strategies. At early time point an higher percentage of γH2AX positive cells and more foci in IKKa-KD cells are observed, but IKKa KD cells proved to almost completely recover after 24 hours respect to their controls. Telomere attrition is also reduced in IKKaKD. Finally MSH6 and MLH1 genes are up-regulated in IKKαKD cells but not in control cells. Hydroxytyrosol and Spermidine have a great ROS scavenging capacity in vitro. Both treatments revert the H2O2 dependent increase of cell death and γH2AX-foci formation and senescence, suggesting the ability of increasing cell homeostasis. These data indicate that nutraceuticals represent a great challenge in OA management, for both therapeutical and preventive purposes.

T1 assessment of hip joint cartilage following intra-articular gadolinium injection: a pilot study

This pilot study defines the feasibility of cartilage assessment in symptomatic femoroacetabular impingement patients using intra-articular delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage (ia-dGEMRIC). Nine patients were scanned preliminary to study the contrast infiltration process into hip joint cartilage. Twenty-seven patients with symptomatic femoroacetabular impingement were subsequently scanned with intra-articular delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage. These T(1) findings were correlated to morphological findings. Zonal variations were studied. This pilot study demonstrates a significant difference between the pre- and postcontrast T(1) values (P < 0.001) remaining constant for 45 min. We noted higher mean T(1) values in morphologically normal-appearing cartilage than in damaged cartilage, which was statistically significant for all zones except the anterior-superior zone. Intraobserver (0.972) and interobserver correlation coefficients (0.933) were statistically significant. This study outlines the feasibility of intra-articular delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage for assessment of cartilage changes in patients with femoroacetabular impingement. It can also define the topographic extent and differing severities of cartilage damage.

MRI of hip osteoarthritis and implications for surgery

Osteoarthritis of the hip joint is caused by a combination of intrinsic factors and extrinsic factors. Different surgical techniques are being performed to delay or halt osteoarthritis. Success of salvage procedures of the hip depends on the existing cartilage and joint damage before surgery; the likelihood of therapy failure rises with advanced osteoarthritis. For imaging of intra-articular hip pathology, MR imaging represents the best technique because of its ability to directly visualize cartilage, superior soft tissue contrast, and the prospect of multidimensional imaging. This article gives an overview on the standard MR imaging techniques used for diagnosis of hip osteoarthritis and their implications for surgery.

The in vivo effects of unloading and compression on T1-Gd (dGEMRIC) relaxation times in healthy articular knee cartilage at 3.0 Tesla

The purpose was to investigate the in vivo effects of unloading and compression on T1-Gd relaxation times in healthy articular knee cartilage.