Co-culture of chondrocytes and bone marrow mesenchymal stem cells in vitro enhances the expression of cartilaginous extracellular matrix components

Chondrocytes and bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) are frequently used as seed cells in cartilage tissue engineering. In the present study, we determined if the co-culture of rabbit articular chondrocytes and BMSCs in vitro promotes the expression of cartilaginous extracellular matrix and, if so, what is the optimal ratio of the two cell types. Cultures of rabbit articular chondrocytes and BMSCs were expanded in vitro and then cultured individually or at a chondrocyte:BMSC ratio of 4:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:4 for 21 days and cultured in DMEM/F12. BMSCs were cultured in chondrogenic induction medium. Quantitative real-time RT-PCR and Western blot were used to evaluate gene expression. In the co-cultures, type II collagen and aggrecan expression increased on days 14 and 21. At the mRNA level, the expression of type II collagen and aggrecan on day 21 was much higher in the 4:1, 2:1, and 1:1 groups than in either the articular chondrocyte group or the induced BMSC group, and the best ratio of co-culture groups seems to be 2:1. Also on day 21, the expression of type II collagen and aggrecan proteins in the 2:1 group was much higher than in all other groups. The results demonstrate that the co-culture of rabbit chondrocytes and rabbit BMSCs at defined ratios can promote the expression of cartilaginous extracellular matrix. The optimal cell ratio appears to be 2:1 (chondrocytes:BMSCs). This approach has potential applications in cartilage tissue engineering since it provides a protocol for maintaining and promoting seed-cell differentiation and function.

Pamidronate for the treatment of osteoporosis secondary to chronic cholestatic liver disease in Wistar rats

Osteoporosis is a major complication of chronic cholestatic liver disease (CCLD). We evaluated the efficacy of using disodium pamidronate (1.0 mg/kg body weight) for the prevention (Pr) or treatment (Tr) of cholestasis-induced osteoporosis in male Wistar rats: sham-operated (Sham = 12); bile duct-ligated (Bi = 15); bile duct-ligated animals previously treated with pamidronate before and 1 month after surgery (Pr = 9); bile duct-ligated animals treated with pamidronate 1 month after surgery (Tr = 9). Rats were sacrificed 8 weeks after surgery. Immunohistochemical expression of IGF-I and GH receptor was determined in the proximal growth plate cartilage of the left tibia. Histomorphometric analysis was performed in the right tibia and the right femur was used for biomechanical analysis. Bone material volume over tissue volume (BV/TV) was significantly affected by CCLD (Sham = 18.1 ± 3.2 vs Bi = 10.6 ± 2.2%) and pamidronate successfully increased bone volume. However, pamidronate administered in a preventive regimen presented no additional benefit on bone volume compared to secondary treatment (BV/TV: Pr = 39.4 ± 12.0; Tr = 41.2 ± 12.7%). Moreover, the force on the momentum of fracture was significantly reduced in Pr rats (Sham = 116.6 ± 23.0; Bi = 94.6 ± 33.8; Pr = 82.9 ± 22.8; Tr = 92.5 ± 29.5 N; P < 0.05, Sham vs Pr). Thus, CCLD had a significant impact on bone histomorphometric parameters and pamidronate was highly effective in increasing bone mass in CCLD; however, preventive therapy with pamidronate has no advantage regarding bone fragility.

Delivery of the Sox9 gene promotes chondrogenic differentiation of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells in an in vitro model

SRY-related high-mobility-group box 9 (Sox9) gene is a cartilage-specific transcription factor that plays essential roles in chondrocyte differentiation and cartilage formation. The aim of this study was to investigate the feasibility of genetic delivery of Sox9 to enhance chondrogenic differentiation of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells (hUC-MSCs). After they were isolated from human umbilical cord blood within 24 h after delivery of neonates, hUC-MSCs were untreated or transfected with a human Sox9-expressing plasmid or an empty vector. The cells were assessed for morphology and chondrogenic differentiation. The isolated cells with a fibroblast-like morphology in monolayer culture were positive for the MSC markers CD44, CD105, CD73, and CD90, but negative for the differentiation markers CD34, CD45, CD19, CD14, or major histocompatibility complex class II. Sox9 overexpression induced accumulation of sulfated proteoglycans, without altering the cellular morphology. Immunocytochemistry demonstrated that genetic delivery of Sox9 markedly enhanced the expression of aggrecan and type II collagen in hUC-MSCs compared with empty vector-transfected counterparts. Reverse transcription-polymerase chain reaction analysis further confirmed the elevation of aggrecan and type II collagen at the mRNA level in Sox9-transfected cells. Taken together, short-term Sox9 overexpression facilitates chondrogenesis of hUC-MSCs and may thus have potential implications in cartilage tissue engineering.

Lentiviral-mediated RNAi targeting caspase-3 inhibits apoptosis induced by serum deprivation in rat endplate chondrocytes in vitro

Current studies find that degenerated cartilage endplates (CEP) of vertebrae, with fewer diffusion areas, decrease nutrient supply and accelerate intervertebral disc degeneration. Many more apoptotic cells have been identified in degenerated than in normal endplates, and may be responsible for the degenerated grade. Previous findings suggest that inhibition of apoptosis is one possible approach to improve disc regeneration. It is postulated that inhibition of CEP cell apoptosis may be responsible for the regeneration of endplates. Caspase-3, involved in the execution phase of apoptosis, is a candidate for regulating the apoptotic process. In the present study, CEP cells were incubated in 1% fetal bovine serum. Activated caspases were detected to identify the apoptotic pathway, and apoptosis was quantified by flow cytometry. Lentiviral caspase-3 short hairpin RNA (shRNA) was employed to study its protective effects against serum deprivation. Silencing of caspase-3 expression was quantified by reverse transcription-polymerase chain reaction and Western blots, and inhibition of apoptosis was quantified by flow cytometry. Serum deprivation increased apoptosis of rat CEP cells through activation of a caspase cascade. Lentiviral caspase-3 shRNA was successfully transduced into CEP cells, and specifically silenced endogenous caspase-3 expression. Surviving cells were protected by the downregulation of caspase-3 expression and activation. Thus, lentiviral caspase-3 shRNA-mediated RNAi successfully silenced endogenous caspase-3 expression, preventing inappropriate or premature apoptosis.

Effect of JJYMD-C, a novel synthetic derivative of gallic acid, on proliferation and phenotype maintenance in rabbit articular chondrocytes in vitro

Tissue engineering encapsulated cells such as chondrocytes in the carrier matrix have been widely used to repair cartilage defects. However, chondrocyte phenotype is easily lost when chondrocytes are expanded in vitro by a process defined as “dedifferentiation”. To ensure successful therapy, an effective pro-chondrogenic agent is necessary to overcome the obstacle of limited cell numbers in the restoration process, and dedifferentiation is a prerequisite. Gallic acid (GA) has been used in the treatment of arthritis, but its biocompatibility is inferior to that of other compounds. In this study, we modified GA by incorporating sulfamonomethoxine sodium and synthesized a sulfonamido-based gallate, JJYMD-C, and evaluated its effect on chondrocyte metabolism. Our results showed that JJYMD-C could effectively increase the levels of the collagen II, Sox9, and aggrecan genes, promote chondrocyte growth, and enhance secretion and synthesis of cartilage extracellular matrix. On the other hand, expression of the collagen I gene was effectively down-regulated, demonstrating inhibition of chondrocyte dedifferentiation by JJYMD-C. Hypertrophy, as a characteristic of chondrocyte ossification, was undetectable in the JJYMD-C groups. We used JJYMD-C at doses of 0.125, 0.25, and 0.5 µg/mL, and the strongest response was observed with 0.25 µg/mL. This study provides a basis for further studies on a novel agent in the treatment of articular cartilage defects.

Effects of immobilization and remobilization on the ankle joint in Wistar rats

A sprained ankle is a common musculoskeletal sports injury and it is often treated by immobilization of the joint. Despite the beneficial effects of this therapeutic measure, the high prevalence of residual symptoms affects the quality of life, and remobilization of the joint can reverse this situation. The aim of this study was to analyze the effects of immobilization and remobilization on the ankle joint of Wistar rats. Eighteen male rats had their right hindlimb immobilized for 15 days, and were divided into the following groups: G1, immobilized; G2, remobilized freely for 14 days; and G3, remobilized by swimming and jumping in water for 14 days, performed on alternate days, with progression of time and a series of exercises. The contralateral limb was the control. After the experimental period, the ankle joints were processed for microscopic analysis. Histomorphometry did not show any significant differences between the control and immobilized/remobilized groups and members, in terms of number of chondrocytes and thickness of the articular cartilage of the tibia and talus. Morphological analysis of animals from G1 showed significant degenerative lesions in the talus, such as exposure of the subchondral bone, flocculation, and cracks between the anterior and mid-regions of the articular cartilage and the synovial membrane. Remobilization by therapeutic exercise in water led to recovery in the articular cartilage and synovial membrane of the ankle joint when compared with free remobilization, and it was shown to be an effective therapeutic measure in the recovery of the ankle joint.

Bearing-spesific complications of total hip arthroplasty: characterization and treatment

Hip resurfacing arthroplasty (HRA) and large head metal-on-metal total arthroplasty (LDH MoM THA) gained popularity during the last decade. Adverse reaction to metal debris (ARMD) is a unique complication of metal bearings. ARMD is a complex reaction caused by metal debris from metal-on- metal bearing surfaces and from trunnion corrosion of modular junctions. We analyzed survivorship of 8059 LDH MoM THAs based on data of the Finnish Arthroplasty Register. We found relatively high short-term survivorship for some LDH MoM THAs, but there were remarkable differences between the devices studied. After some alarming reports of failing MoM THAs, we studied the first 80 patients who had received a ReCap-M2a-Magnum implant at our institution and evaluated the prevalence of ARMD. We found a high prevalence of pseudotumors, and, because of this, we discontinued the use of MoM bearings and followed up all patients with a MoM THA. Bone loss due infection, osteolysis or fracture poses a great challenge for reconstructive and fracture surgery. Onlay allografting for both revision and fracture surgery provides mechanical stability and increases bone stock. Bone loss and implant stability must be assessed preoperatively and adequately classified; this provides guidelines for the operative treatment of periprosthetic fractures and revision THA. In our studies on structural allografts union rates were high, although the rates of infections and dislocations were marked. In summary, early results of the use of LDH MoM devices were encouraging. However, the survival of the LDH MoMs varied. The prevalence of adverse reaction to metal debris was high after application of the ReCap-Magnum THA. New implants should be introduced carefully and under close surveillance by University clinics and arthroplasty registers.

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

Endothelin-1 in osteoarthritic chondrocytes triggers nitric oxide production and upregulates collagenase production

Affiliation: Florina Moldovan: Faculté de médecine dentaire, Université de Montréal & CHU Hôpital Sainte-Justine, Université de Montréal. Christina Alexandra Manacu, Marjolaine Roy-Beaudry, Fazool Shipkolye : CHU Hôpital Sainte-Justine, Université de Montréal. Johanne Martel-Pelletier & Jean-Pierre Pelletier : CHUM Hôpital Notre-Dame, Université de Montréal.

The shunt from the cyclooxygenase to lipoxygenase pathway in human osteoarthritic subchondral osteoblasts is linked with a variable expression of the 5-lipoxygenase-activating protein

Affiliation: Unité de recherche en Arthrose, Centre de recherche du Centre Hospitalier de l'Université de Montréal, Hôpital Notre-Dame

Cloning and Characterisation of the human gene gremlin promoter

L’ostéoarthrose (OA) est une maladie articulaire invalidante caractérisée par la perte de l’intégrité du cartilage articulaire. Les recherches tentent de comprendre les mécanismes moléculaires de la maladie afin de trouver des inhibiteurs efficaces pouvant prévenir la dégradation du cartilage articulaire. Les BMPs (bone morphogenic proteins) jouent un rôle dans le processus pathophysiologique de cette maladie. Cette étude cible le rôle d’un antagoniste des BMPs, le gremlin. Nous avons étudié la régulation de l’expression de gremlin par le clonage et la caractérisation de son promoteur et en déterminant si gremlin pouvait jouer un rôle autre qu’antagoniste des BMP, en affectant l’expression d’autres gènes par l’activation d’une cascade de signalisation dans la cellule. Les résultats ont identifié une région importante dans le promoteur de gremlin qui affecte son activité basale et induite, et ont montré que le gremlin ne pouvait pas affecter l’expression génique et l’activation de signalisation intracellulaire indépendamment des BMPs. Cette étude démontre que le rôle de gremlin dans l’OA en est un essentiellement d’antagoniste des BMPs.

Le rôle de la leptine dans le métabolisme anormal des ostéoblastes de patients atteints d’ostéoarthrose

L’ostéoarthrose (OA) est une pathologie qui touche les articulations principalement chez les personnes âgées. Il devient capital de mieux cerner cette pathologie à cause des coûts économiques qu’elle engendre mais surtout à cause du vieillissement de la population. Cette maladie se caractérise par une dégradation du cartilage articulaire, une sclérose osseuse, une inflammation de la membrane synoviale ainsi que la présence d’ostéophytes. L’étiologie de cette pathologie est restée nébuleuse car la recherche sur la maladie touchait principalement le cartilage articulaire. Toutefois, le rôle clé de l’os sous-chondral dans l’OA est maintenant reconnu. L’obésité étant un facteur de risque de l’OA, nous avons émis l’hypothèse que la leptine, une adipocytokine clé dans l’obésité, joue un rôle important dans l’OA. En effet, la leptine modifie le phénotype des ostéoblastes (Ob) normaux humain et puisque les Ob OA humains ont un phénotype altéré, notre objectif était de déterminer le rôle potentiel de la leptine dans ces cellules. Pour ce faire, nous avons préparé des cultures primaires d’Ob issus de la plaque sous-chondral du plateau tibial de patients OA et d’individus normaux (N). L’expression de la leptine et de son récepteur actif (OB-Rb) ont été mesurées par RT-PCR en temps réel, et leur production a été mesurée par ELISA et immunobuvardage (IB). La prolifération des Ob OA a été déterminée par incorporation de BrdU. La phosphorylation de p42/44 MAPK dans les Ob OA a été déterminée par IB. Le phénotype des Ob fut déterminé par la mesure de l’activité de la phosphatase alcaline (ALP) et la sécrétion d’ostéocalcine (OC), en présence ou non de leptine. De plus, les effets des ARNs d’interférences (SiRNA) anti-leptine et anti OB-Rb sur le phénotype des Ob OA furent déterminés via leur impact sur l’activité de l’ALP et sur la sécrétion d’OC. L’effet dose-réponse de la leptine sur les expressions d’OB-Rb, du facteur de croissance TGF-1 ou encore sur sa propre expression furent déterminées par RT-PCR en temps réel. Pour terminer, la signalisation de la leptine a été étudiée en évaluant l’effet dose réponse de celle-ci sur la production des protéines JAK2 et STAT3 phosphorylées par IB. Les résultats obtenus ont montrés que les Ob OA expriment et produisent plus de leptine que les Ob N. Au niveau phénotypique, ces Ob OA possèdent une activité de l’ALP ainsi qu’une sécrétion d’OC plus importante que celles observées chez les Ob N. L’ajout d’anticorps inactivant l’interaction leptine et OB-Rb ou d’inhibiteurs chimiques comme tyrphostin ou piceatannol diminuèrent l’activité de l’ALP ainsi que la sécrétion d’OC dans les Ob OA. Par contre, l’ajout de leptine exogène aux Ob OA augmenta l’activité de l’ALP sans pour autant faire varier la sécrétion d’OC. La leptine à des doses de 1ng/ml à 10mg/ml stimula la prolifération des Ob OA ainsi que la phosphorylation de p42/44 MAPK. La leptine exogène diminua l’expression de TFG-1 tandis qu’elle stimula la phosphorylation de JAK2 et STAT3 ou encore sa propre expression de manière dose-dépendante. Cependant, l’expression d’OB-Rb diminua de manière dose-dépendante. Enfin, le traitement des Ob OA avec des Si leptine ou Si OB-Rb diminua l’activité d’ALP, la sécrétion d’OC, l’expression de la leptine, l’expression d’OB-RB ainsi que l’expression du facteur TGF-1. L’ensemble de ces données démontre que la leptine endogène des Ob OA est sous contrôle des facteurs de croissance et qu’elle contribue à maintenir le phénotype anormal de l’os sous-chondral OA. De plus, ceci suggère que la leptine serait un acteur important dans la régulation du remodelage osseux.

L’étude de l’interaction entre les chondrocytes et le collagène modifié par le 4-Hydroxynonénal : implication dans le développement de l’arthrose

OBJECTIF: Récemment, nous avons démontré que la modification du collagène type II (Col II) par le 4-hydroxynonénal (HNE), un produit de la peroxydation lipidique, est augmentée dans le cartilage arthrosique sans qu’on sache la signification de cette augmentation dans la pathogenèse de l’arthrose. L’objectif de cette étude vise à démontrer que cette modification affecte l’interaction chondrocytes/matrice extracellulaire (MEC) et en conséquence induit des changements phénotypiques et fonctionnels de ces cellules. METHODES: Des plaques de culture ont été préalablement cotées avec du Col II puis traitées avec du HNE (0.1-2 mM) excepté le puits contrôle. Les chondrocytes ont été ensuite ensemencés puis incubés pendant 48 heures. La viabilité des cellules est évaluée par le test MTT. Le Western blot est utilisé pour mesurer l’expression des molécules d’adhésion (l’ICAM-1 et l’intégrine α1β1), de la cyclooxygenase-2 (COX-2), du Col II ainsi que la phosphorylation de la p38 MAPK, ERK1/2 et NF-κB-p65. La RT-PCR en temps réel est utilisée pour mesurer l’expression de l’ARNm de l’ICAM-1, des intégrines α1β1, de la COX-2 et de la métalloprotéinases-13 (MMP-13). La détermination de l’expression de l’ICAM-1 à la surface des cellules est réalisée par cytométrie de flux. Des kits commerciaux ont servi pour mesurer le niveau de la MMP-13, de la prostaglandine E2 (PGE2), de l’activité de la caspase-8 et de la phosphorylation de la p38 MAPK, ERK1/2 et NF-κB-p65. RESULTATS: La modification du Col II par 0.2 mM HNE induit significativement l’expression des molécules d’adhésion telles que l’ICAM-1 et l’intégrine α1β1, de la MMP-13 sans avoir un effet sur la morphologie, la survie et le phénotype cellulaires. Nos résultats montrent aussi une forte augmentation de la phosphorylation de la p38 MAPK, d’ERK1/2 et de NF-κB-p65. Cependant, la modification du Col II par 2 mM HNE affecte la morphologie et la viabilité cellulaires et induit l’activité de la caspase-8. Elle inhibe fortement l’expression des integrines α1β1 et du Col II ainsi que la phosphorylation de l’ERK1/2 et de NF-κB-p65, mais par contre, induit significativement la production de la COX-2 et son produit la PGE2 ainsi que la phosphorylation de la p38 MAPK. Fait intéressant, le prétraitement des complexes HNE/Col II par 0.1 mM de carnosine empêche les changements phénotypiques et fonctionnels des chondrocytes. CONCLUSION : Ces nouveaux résultats suggèrent le rôle important de la modification du Col II par le HNE dans l’arthrose, en affectant le phénotype et le fonctionnement cellulaires des chondrocytes. La carnosine, par sa capacité de neutraliser le HNE, a révélé d’être un agent promoteur dans le traitement de l’arthrose.

Les récepteurs activés par les protéases dans les tissus articulaires humains arthrosiques

L’arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative à l’étiologie complexe et diverse. Les travaux de ces dernières années ont démontré que l’OA est une pathologie affectant tous les tissus de l’articulation incluant le cartilage, la membrane synoviale et l’os sous-chondral. L’OA se traduit par une déstructuration et une perte de fonctionnalité de l’articulation, et est principalement caractérisée par une perte de cartilage articulaire. L’inflammation de la membrane synoviale joue un rôle déterminant dans la progression de l’OA, toutefois elle serait secondaire à la dégradation du cartilage. De plus, l’os sous-chondral est également le siège de nombreuses transformations lors de l’OA. Il est fortement suggéré que ces changements ne correspondent pas seulement à une conséquence, mais pourraient être une cause du développement de l’OA impliquant une communication entre ce tissu et le cartilage. Il est maintenant bien établi que les voies inflammatoires et cataboliques jouent un rôle crucial dans l’OA. C’est pourquoi, nous avons étudié l’implication d’une nouvelle famille de récepteurs membranaires, les PARs, et plus particulièrement le PAR-2 dans les voies physiopathologiques de l’OA. Notre hypothèse est que l’activation de PAR-2 au cours de l’OA est un phénomène majeur du développement/progression de la maladie faisant du récepteur PAR-2 un candidat privilégié pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques ciblant non seulement le cartilage mais aussi l’os sous-chondral. Pour cette étude, nous avons travaillé in vitro avec des chondrocytes (Cr) et des ostéoblastes (Ob) OA respectivement du cartilage et de l’os sous-chondral du condyle fémoral humain. Nos résultats ont démontré que PAR-2 était plus exprimé dans les Cr et les Ob OA que dans les cellules normales. Par ailleurs, PAR-2 est régulé positivement par certains facteurs retrouvés au cours de l’OA comme l’IL-1β, le TNF-α et le TGF-β dans les Cr OA, et par l’IL-1β, le TNF-α et la PGE2 dans les Ob OA. De plus, les principaux facteurs cataboliques et inflammatoires, soit la MMP-1, la MMP-13 et la COX-2 sont produits en quantité plus élevée suite à l’activation du récepteur dans le cartilage OA. De même, l’activation de PAR-2 dans les Ob OA conduit à une production accrue de facteurs pro-résorptifs tels que RANKL, l’IL-6, la MMP-1 et la MMP-9, et à l’augmentation de l’activité pro-résorptive de ces cellules. En outre, dans les deux types tissulaires étudiés, l’activation de PAR-2 augmente l’activité de certaines protéines de la famille des MAPKinases comme Erk1/2, p38 et JNK. Finalement, nous avons conclu notre étude en employant un modèle in vivo d’OA induite chez la souris sauvage et déficiente pour le gène PAR-2. Nos résultats ont démontré que l’absence d’expression et de production de PAR-2 influençait le processus inflammatoire et les changements structuraux affectant à la fois le cartilage et l’os sous-chondral, conduisant à un ralentissement du développement de l’OA. Nos travaux de recherche ont donc permis de montrer que le récepteur PAR-2 est un élément majeur du processus OA en agissant sur les voies cataboliques et inflammatoires du cartilage, et sur le remodelage tissulaire de l’os sous-chondral. Mots-clés : Arthrose, chondrocyte, cartilage, ostéoblaste, os sous-chondral, PAR-2, MMPs, COX, ILs, RANKL, résorption osseuse, MAPKinase, catabolisme, inflammation

La mise en marché des produits issus du génie tissulaire: Une question de catégorisation?

Le génie tissulaire est un domaine interdisciplinaire qui applique les principes du génie et des sciences de la vie (notamment la science des cellules souches) dans le but de régénérer et réparer les tissus et organes lésés. En d'autres mots, plutôt que de remplacer les tissus et les organes, on les répare. La recherche en génie tissulaire est considérable et les ambitions sont grandes, notamment celle de mettre fm aux listes d'attente de dons d'organes. Le génie tissulaire a déjà commencé à livrer des produits thérapeutiques pour des applications simples, notamment la peau et le cartilage. Les questions sur la façon de réglementer les produits thérapeutiques qui sont issus du génie tissulaire sont soulevées à chaque nouveau produit. À ce jour, ces questions ont reçu peu d'attention comparativement aux questions éthiques associées aux recherches avec les cellules souches et les risques qu'engendrent les produits biologiques. Il est donc important d'examiner si le cadre normatif qui entoure la mise en marché des produits issus du génie tissulaire est approprié puisque de tels produits sont déjà disponibles sur le marché et plusieurs autres sont en voie de l'être. Notre analyse révèle que le cadre canadien actuel n'est pas approprié et le moment d'une reforme est arrivé. Les États-Unis et l'Union européenne ont chacun des approches particulières qui sont instructives. Nous avons entrepris une revue des textes réglementaires qui encadrent la mise en marché des produits issus du génie tissulaire au Canada, aux États-Unis et dans l'Union européenne et formulons quelques suggestions de réforme.