Structural and functional characterization of matrix glycosaminoglycans of the human cartilage : For a specific use of GAGs and stem cells for cartilage repair in Osteoarthritis.
Caracterisations structurales et fonctionnelles des glycosaminoglycannes matriciels dans le cartilage humain : pour une utilisation spécifique de GAG et de cellules souches pour la réparation du cartilage dans l'Osteoarthrose.
Résumé
Osteoarthritis (OA) is the most prevalent joint disease with increasing socio-economic impact due to population aging, obesity , and absence of an efficient medical treatment that can repair cartilage. OA is characterized by degradation of articular cartilage, hypertrophy and apoptosis of chondrocytes, subchondral bone remodeling and joint synovial inflammation. Cartilage extracellular matrix (ECM) consists of collagens, glycoproteins and proteoglycans (PGs) that are composed of Glycosaminoglycans (GAGs) linked to core proteins, presents in the ECM or at the cell surface. GAGs are linear polysaccharidic sulfated chains including Heparine/Heparan Sulfate (Hep/HS), Chondroitin Sulfate (CS) and Keratan Sulfate (KS) families. Hyaluronic acid (HA) is a particular un-sulfated GAG no associated to core protein. In cartilage, one of the major ECM component is aggrecan, a CS/KS PG that form aggregate through HA interaction. During the aging process, changes in PGs quality pave the way for OA and studies are focus on aggrecans and CS catabolism since 60 years. CS expression levels, chain size, sulfation patterns evolved during OA, affecting the mechanical properties of ECM. However, treatments based on visco-supplementation with CS local injections have demonstrated their limit since cartilage repair is not induced. Even if rare in adult cartilage, HSPG are present associated to chondrocytes also and their relevance was demonstrated mainly during bone development. HS chains are very important homeostatic regulators because they are able to bind and regulate the activity of several heparin binding proteins (HBP) (growth factors, cytokines, chemokines, morphogens), protecting them against proteolysis and potentiating their binding to their receptors. These interactions provide a stock of regulatory factors that can be release by selective degradation of the HS chains too. All these regulatory effects are mediated through the complex sulfation/acetylation pattern of HS chains but no data are available on this aspect during OA.In this context, the goals of this Thesis were to characterize the evolution of HS chemical signature and functionality during OA. In collaboration with Rheumatology and Orthopedic clinical teams from Henri Mondor Hospital, a quantitative evaluation of HS and CS amount in control versus OA human cartilage samples was correlated to the structural damage severity. According to the tools of the CRRET’s lab glycomic platform, structural changes on HS and CS sulfated disaccharides compositions was observed using HPLC, confirmed by RQ-PCR analyzes of the expression of enzymes involved in GAG biosynthesis. These structural features were correlated to functional changes on HBP affinities, such as FGF-2, VEGF and PTN, through ELISA based competition assay. Finally, GAGs from OA have different abilities to modulate properties (adhesion proliferation, phenotype…) of Mesenchymal Stem Cells, chondrocytes, fibroblast and endothelial cells. These results clearly make the proof that modifications of HS structures and functions could be involved in the evolution of cartilage homeostasis and pave the way for altered pathological processes during OA. This project is clearly positioned as a fundamental and translational research that will permit to gain knowledge on the mechanisms regulating cartilage cells/matrix interactions during OA. All these results are summarized in 2 scientific and 1 review articles. Moreover, all the tools developed during this project have permit to realize 2 collaborative projects and associated articles on Pulmonary Hypertension and Eosophagic pathology also. Finally, all these data confirmed the interest of the team to identify new glycanic targets based on HS chemistry. This will permit to propose new therapeutic strategy based on HS compounds associated to endogenous or exogenous therapeutic stem cells, with the aim of improving cell properties according to HS ability to control sulfation panels of ECM.
L'Osteoarthrose (OA) est la maladie articulaire la plus répandue avec un impact socio-économique croissant en raison du vieillissement de la population, de l’augmentation de l'obésité et surtout de l'absence d'un traitement efficace. En effet, l’OA est caractérisée par la dégradation inéluctable du cartilage articulaire, l'apoptose des chondrocytes, un remodelage osseux sous-chondral et une inflammation de la synovie. La matrice extracellulaire (MEC) du cartilage est constituée de collagènes et de protéoglycanes (PG) eux-mêmes composés de glycosaminoglycanes (GAG) liés à un corps proteique, présents dans l'ECM ou à la surface cellulaire. Les GAG sont des chaînes polysaccharidiques linéaires sulfatées comprenant les Héparine/Héparan Sulfate (Hep/HS), Chondroitin Sulfate (CS) et Keratan Sulfate (KS). L'acide hyaluronique (AH) est un GAG non sulfaté particulier, non associé à un corps proteique. Dans le cartilage, l'un des principaux composants de la MEC est l'aggrécan, un CS/KS PG qui forme des aggrégats par interaction avec de l’AH. Au cours du vieillissement, des changements dans la qualité des PG ouvrent la voie à l’OA et les études depuis 60 ans se concentrent sur les aggrécans et le catabolisme des CS. En effets, les niveaux d'expression des CS, la taille de leurs chaînes, leurs profils de sulfatation évoluent, affectant les propriétés mécaniques de la MEC. Cependant, les traitements actuels de visco-supplémentation à base d’injections locales de CS ont démontré leur limite puisque la réparation du cartilage n'est pas induite. Même si ils sont rares dans le cartilage adulte, les HSPG sont associés aux chondrocytes et leurs rôles a été démontrée lors du développement osseux. Or les HS sont des régulateurs de l’homéostasie très importants car ils peuvent lier et réguler l'activité de protéines liant l'héparine (HBP) (facteurs de croissance, cytokines, chimiokines, morphogènes), les protégeant contre la protéolyse et potentialisant leur liaison à leurs récepteurs. Tous ces effets sont contrôlés par les profils de sulfatation complexes des chaînes d’HS.Dans ce contexte les objectifs de cette thèse sont de caractériser l'évolution de la signature chimique et de la fonctionnalité des HS au cours de l’OA. En collaboration avec les Rhumatologistes et Orthopédistes de l’Hopital Henri Mondor, une évaluation quantitative des HS dans des échantillons de cartilage humain contrôle versus OA a été corrélée à la gravité des dommages. Grace à la plateforme glycomic du CRRET, des modifications dans les profils de sulfatation des disaccharides de HS ont été observées et confirmées par des analyses de l'expression des enzymes de la biosynthèse des GAG. Ces caractéristiques structurales ont été corrélées à des changements fonctionnels de l’affinité des GAG pour des HBP, telles que FGF-2, VEGF et PTN. Enfin, les GAG OA ont des capacités différentes à moduler les propriétés (prolifération, adhésion, phénotype) de cellules souches mésenchymateuses, chondrocytes, fibroblastes et cellules endothéliales. Ces résultats démontrent que des modifications des structures et fonctions des HS pourraient être impliquées dans l'évolution de l'homéostasie du cartilage vers des processus pathologiques au cours de l’OA. Ce projet se positionne clairement comme une recherche fondamentale et translationnelle qui permettra d'acquérir des connaissances sur les mécanismes régulant les interactions cellules/matrice au cours de l'OA. De plus, les outils développés au cours de ce projet ont permis de réaliser 2 projets collaboratifs sur l'hypertension artérielle pulmonaire et une pathologie éosophagique. Enfin, ces données confirment l'intérêt d’identifier de nouvelles cibles glycaniques basées sur la chimie des HS. Cela permettra de proposer une nouvelle stratégie thérapeutique basée sur des composes à même de contrôler les profils de sulfatation de la MEC, dans le but d'améliorer les propriétés de cellules souches thérapeutiques endogènes ou exogènes, associées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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