Cotransfected human chondrocytes: over-expression of IGF-I and SOX9 enhances the synthesis of cartilage matrix components collagen-II and glycosaminoglycans

Damage to cartilage causes a loss of type II collagen (Col-II) and glycosaminoglycans (GAG). To restore the original cartilage architecture, cell factors that stimulate Col-II and GAG production are needed. Insulin-like growth factor I (IGF-I) and transcription factor SOX9are essential for the synthesis of cartilage matrix, chondrocyte proliferation, and phenotype maintenance. We evaluated the combined effect of IGF-I and SOX9 transgene expression on Col-II and GAG production by cultured human articular chondrocytes. Transient transfection and cotransfection were performed using two mammalian expression plasmids (pCMV-SPORT6), one for each transgene. At day 9 post-transfection, the chondrocytes that were over-expressing IGF-I/SOX9 showed 2-fold increased mRNA expression of the Col-II gene, as well as a 57% increase in Col-II protein, whereas type I collagen expression (Col-I) was decreased by 59.3% compared with controls. The production of GAG by these cells increased significantly compared with the controls at day 9 (3.3- vs 1.8-times, an increase of almost 83%). Thus, IGF-I/SOX9 cotransfected chondrocytes may be useful for cell-based articular cartilage therapies.

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.

Ectopic mineralization of articular cartilage in the bullfrog Rana catesbeiana and its possible involvement in bone closure

Mineralization of the articular cartilage is a pathological condition associated with age and certain joint diseases in humans and other mammals. In this work, we describe a physiological process of articular cartilage mineralization in bullfrogs. Articular cartilage of the proximal and distal ends of the femur and of the proximal end of the tibia-fibula was studied in animals of different ages. Mineralization of the articular cartilage was detected in animals at 1 month post-transformation. This mineralization, which appeared before the hypertrophic cartilage showed any calcium deposition, began at a restricted site in the lateral expansion of the cartilage and then progressed to other areas of the epiphyseal cartilage. Mineralized structures were identified by von Kossa's staining and by in vivo incorporation of calcein green. Element analysis showed that calcium crystals consisted of poorly crystalline hydroxyapatite. Mineralized matrix was initially spherical structures that generally coalesced after a certain size to occupy larger areas of the cartilage. Alkaline phosphatase activity was detected at the plasma membrane of nearby chondrocytes and in extracellular matrix. Apoptosis was detected by the TUNEL (TDT-mediated dUTP-biotin nick end-labeling) reaction in some articular chondrocytes from mineralized areas. The area occupied by calcium crystals increased significantly in older animals, especially in areas under compression. Ultrastructural analyses showed clusters of needle-like crystals in the extracellular matrix around the chondrocytes and large blocks of mineralized matrix. In 4-year-old animals, some lamellar bone (containing bone marrow) occurred in the same area as articular cartilage mineralization. These results show that the articular cartilage of R. catesbeiana undergoes precocious and progressive mineralization that is apparently stimulated by compressive forces. We suggest that this mineralization is involved in the closure of bone extremities, since mineralization appears to precede the formation of a rudimentary secondary center of ossification in older animals.

Effect of GaAlAs Laser Irradiation on the Epiphyseal Cartilage of Rats

Objective: To study the effect of an 830-nm gallium-aluminum-arsenic (GaAlAs) diode laser at two different energy densities (5 and 15 J/cm(2)) on the epiphyseal cartilage of rats by evaluating bone length and the number of chondrocytes and thickness of each zone of the epiphyseal cartilage. Background Data: Few studies have been conducted on the effects of low-level laser therapy on the epiphyseal cartilage at different irradiation doses. Materials and Methods: A total of 30 male Wistar rats with 23 days of age and weighing 90 g on average were randomly divided into 3 groups: control group (CG, no stimulation), G5 group (energy density, 5 J/cm(2)), and G15 group (energy density, 15 J/cm(2)). Laser treatment sessions were administered every other day for a total of 10 sessions. The animals were killed 24 h after the last treatment session. Histological slides of the epiphyseal cartilage were stained with hematoxylin-eosin (HE), photographed with a Zeiss photomicroscope, and subjected to histometric and histological analyses. Statistical analysis was performed using one-way analysis of variance followed by Tukey's post hoc test. All statistical tests were performed at a significance level of 0.05. Results: Histological analysis and x-ray radiographs revealed an increase in thickness of the epiphyseal cartilage and in the number of chondrocytes in the G5 and G15 groups. Conclusion: The 830-nm GaAlAs diode laser, within the parameters used in this study, induced changes in the thickness of the epiphyseal cartilage and increased the number of chondrocytes, but this was not sufficient to induce changes in bone length.