Arthrose

1. Arthrose

a. Présentation clinique et pathogenèse

En France, 10 millions de personnes souffrent d’une arthrose dont la moitié est symptomatique. De nombreuses études montrent que l’augmentation de l’âge est le facteur de risque le plus important pour l’initiation et la progression d’une arthrose primaire. En effet, 50% des sujets de plus de 65 ans présentent une arthrose

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radiologique et 85% des sujets de plus de 70 ans. Cette pathologie ne représente pas un risque de mortalité élevé mais le retentissement de l’arthrose est important, en terme de douleur d’une part mais également en termes de capacités fonctionnelles et de qualité de vie. Les douleurs dues à cette pathologie mènent les patients à la sédentarité, à une réduction de leurs capacités professionnelles et des activités de loisir.

Il existe différents types d’arthrose en fonction de leur localisation.

En dehors des doigts, l’arthrose des membres supérieurs est rare. Elle est exceptionnelle au poignet, au coude et touche l’épaule le plus souvent suite à des microtraumatismes ou a des pathologies touchant les tissus entourant les articulations. En revanche, 10% de la population de 40 à 50 ans présente des lésions radiologiques d’arthrose digitale.

L’arthrose des membres inférieurs est une affection fréquente et touche principalement l’articulation du genou (gonarthrose) et de la hanche (coxarthrose). La gonarthrose est la première cause d’incapacité fonctionnelle chronique dans les pays développés et du point de vue épidémiologique, c’est l’articulation la plus souvent atteinte. Enfin, l’arthrose rachidienne, la localisation la plus fréquente n’est pas la plus invalidante. Sur une population de personnes âgées de plus de 50 ans, 84% des hommes et 74% des femmes présentent des lésions arthrosiques rachidiennes. L’atteinte dorsolombaire est la plus fréquente (Baron, D, 2011).

A l’âge adulte, le cartilage peut passer par trois stades : - le stade I ou cartilage normal,

- le stade II ou cartilage sénescent et - le stade III ou cartilage arthrosique

Lors du passage au stade sénescent, de nombreuses modifications structurales et biochimiques se produisent. Les GAG sont plus courts ce qui aboutit à une moins bonne rétention des molécules d’eau amenant le cartilage sénescent à se dessécher.

Cette pathologie est souvent due aux phénomènes de vieillissement mais c’est en réponse à un excès de pression sur le cartilage que le processus pathologique va se déclencher. Cette hyperpression entraine tout d’abord une réponse mécanique par la rupture du réseau de collagène. Le cartilage se fissure, s’ulcère et se remplit d’eau créant un œdème, il finit par perdre son volume et s’amincir. Mais cet excès de pression influence également directement le chondrocyte.

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Globalement, au cours de l’arthrose, le cartilage arthrosique peut évoluer en quatre phases (Figure 14) :

- Phase 1 : Perte de l’aspect lisse du cartilage et apparition de microfissures

- Phase 2 : Apparition de fissuration. Les microfissures deviennent plus profondes perpendiculairement à la direction des forces de cisaillement et le long des fibrilles de collagènes. Des îlots de chondrocytes apparaissent en périphérie et en surface de ces lésions

- Phase 3 : Apparition d’une érosion. Les fissurations du cartilage mènent au détachement de lambeaux de cartilage qui se retrouvent dans la cavité articulaire puis une abrasion apparaît

- Phase 4 : Il s’agit de la phase terminale correspondant à la mise à nu de l’os sous-chondral.

Figure 14 : Différents stade de la progression de l’arthrose du genou adaptés de (Iannoti and Parker, 2013). L’arthrose débute par une perte légère du cartilage (Stade I) et une apparition débutante d’ostéophytes (stade II). Dans les stades plus tardifs (Stade III puis IV) le cartilage

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présente des fissures et la dégradation peut atteindre l’os sous-chondral, des ostéophytes importantes peuvent être observés.

En parallèle de cette dégradation du cartilage, une inflammation synoviale peut être observée dès les stades précoces et un remodelage de l’os sous-chondral a lieu. On observe une apparition de nouvelles lamelles osseuses et en périphérie, une formation d’ostéophytes dont la surface est recouverte de cartilage fibrillaire.

Le développement des ostéophytes est provoquée par les cellules souches mésenchymateuses (MSCs) à côté du périoste formant un mécanisme de réparation pour aider à stabiliser l’articulation. Cette pathologie affecte l’articulation entière dans laquelle l’activation des protéases matricielles a un rôle primordial (Figure 15).

Figure 15 : Voies de signalisation et changements structurels pendant le développement de l’arthrose (Glyn-Jones et al., 2015).

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ADAMTS = une disintégrine et métalloprotéinase avec des motifs thrombospondine-like ; IL = interleukin ; MMP = metalloproteinase matricielle ; TNF = tumor necrosis factor ; IFN : interféron ; IGF = insulin-like growth factor ; TGF = transforming growth factor ; VEGF = vascular endothelial growth factor.

De nombreux paramètres contribuent à la pathogenèse et la progression de l’arthrose dont des facteurs héréditaires, une suppression mécanique, l’âge mais également le dépôt de microcristaux contenant du calcium. En effet ces cristaux qui englobent les cristaux de calcium de pyrophosphate dihydraté (CPPD) et basique de phosphate de calcium (BCP) sont associés avec une arthrose sévère depuis de nombreuses années. Des données cliniques et expérimentales montrent que la calcification joue clairement un rôle pathogénique dans l’arthrose par un phénomène appelé « microcrystal-induced stress » (Ea et al., 2011). Cette calcification s’accentue dans les stades tardifs de l’arthrose et dans deux études indépendantes le cartilage issu de genou ou de hanche de patients ayants subis la pose d’une prothèse contenaient des cristaux de BCP dans 100% des cas et des cristaux de CPPD dans 20% des cas (Fuerst et al., 2009).

b. Anabolisme et modification du phénotype chondrocytaire

Le cartilage adulte normal est soumis en permanence à un équilibre, précaire, entre mécanismes de dégradation sous l’influence de cytokines et mécanisme de réparation sous l’effet d’autres cytokines modulatrices et de facteurs de croissance.

L’arthrose est le résultat d’un déséquilibre entre anabolisme et catabolisme de la MEC. Ce déséquilibre peut être provoqué par :

- une synthèse accrue de MMPs qui ont pour substrat les protéines matricielles ou une diminution des inhibiteurs naturels des protéases, les TIMPs (Tissue inhibitors of Metalloproteinases)

- une inhibition de la synthèse de la matrice fonctionnelle par le chondrocyte arthrosique.

Une caractéristique importante de l’arthrose est l’hétérogénéité des anomalies du cartilage articulaire. Cette variabilité est reflétée dans les changements phénotypiques des chondrocytes. Au cours de l’arthrose, les réactions cellulaires peuvent être récapitulées en 4 catégories :

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- Les changements d’activité anabolique

- La modulation phénotypique des chondrocytes articulaires - La formation d’ostéophytes

En effet, les chondrocytes arthrosiques sont exposés à de nombreux stimuli extracellulaires anormaux au cours de la maladie. D’une part, parce que la MEC qui entoure les cellules est abimée et parce qu’elle a des propriétés biomécaniques différentes. De plus, la perméabilité de la matrice est sévèrement altérée, menant à des concentrations en facteurs de croissance et cytokines différentes, qui vont alors diffuser dans le cartilage, depuis l’espace synovial articulaire. Parmi ces facteurs, beaucoup sont des modulateurs puissants du phénotype chondrocytaire. Ces événements induisent alors une multitude de réponses cellulaires anormales (Aigner et al., 2007).

b1.Prolifération et apoptose

De nombreuses études ont montré qu’il existe une activité proliférative dans les chondrocytes arthrosiques par rapport aux chondrocytes du cartilage normal, qui n’ont qu’une faible activité proliférative. L’activité des chondrocytes observée est probablement due à la facilité d’accès des chondrocytes pour les facteurs de prolifération au cours de l’arthrose. Dans tous les cas, la prolifération des chondrocytes est responsable du regroupement ou « clustering » des chondrocytes, un paramètre caractéristique de cette pathologie.

Certains auteurs suggèrent que la mort cellulaire est un événement central de la dégénérescence du cartilage arthrosique, comme dans la zone hypertrophique de la plaque de croissance (Meachim et al., 1965). Plus récemment, il a été montré que c’est l’apoptose qui est responsable de cette dégénérescence. Dans d’autres études, l’apoptose a bien lieu dans le cartilage arthrosique mais à un faible taux, indiquant que la mort des chondrocytes n’a qu’un impact limité dans la pathologie (Sandell and Aigner, 2001). Et parce que les cellules apoptotiques ne sont pas éliminées efficacement du cartilage, les produits de ces cellules apoptotiques comme le phosphate et le calcium précipité peuvent contribuer à la dégénérescence du cartilage arthrosique (Grogan and D’Lima, 2010).

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b2.Changements métaboliques

Les chondrocytes sont les régulateurs majeurs de l’anabolisme et du catabolisme matriciel. Le catabolisme est directement influencé par les enzymes matricielles et leurs inhibiteurs mais cette activité est sévèrement modifiée au cours de l’arthrose. Les chondrocytes sont alors incapables de compenser les dommages matriciels induit par exemple par un stress mécanique, une dégradation matricielle par les protéases synoviales mais également par une dégradation matricielle induite par les chondrocytes eux-mêmes.

Dans les stades précoces de la maladie, l’activité des chondrocytes est stimulée, ils synthétisent d’avantage de protéines matricielles, de facteurs de croissances, de cytokines et d’autres médiateurs inflammatoires. Ce phénomène, au cours duquel les chondrocytes contribuent directement au remodelage matriciel est appelé « chondrolyse chondrocytaire » (Aydelotte, MB et al., 1986) et représente un point de non retour pour le processus pathologique de l’arthrose.

Ce changement de phénotype, perturbe l’équilibre de l’articulation, créant une inflammation synoviale. Un déséquilibre entre l’activité anabolique et catabolique est créé, favorisant la production de MMPs de type MMP-1, MMP-8, MMP-13 et agrécanases. Ces enzymes dégradent localement les protéoglycanes et provoquent un clivage du collagène, ce qui diminue l’épaisseur du cartilage articulaire et augmente la quantité d’eau dans l’articulation. D’autres enzymes ayant pour substrat le collagène de type II et les protéoglycanes sont synthétisées par le chondrocyte. Elles ne sont actives qu’à pH acide, comme les asparate protéases (cathepsine D) et les cystéines protéases (cathepsines B, H, K, L et S), stockées dans les lysosomes chondrocytaires puis libérées dans l’environnement péricellulaire.

Les cytokines pro-inflammatoires, en particulier l’IL1ß, l’IL6 et le TNF-α, synthétisées par les chondrocytes et les synoviocytes, activent ces cellules par leur liaison à des récepteurs spécifiques. L’IL1ß apparait comme la cytokine la plus impliquée dans les processus de dégradation du cartilage dans l’arthrose, comme illustrés dans différents travaux. Par exemple, la thérapie génique par IL-1RA, un antagoniste des récepteurs de l’IL1ß, entraine une suppression des lésions de cartilage dans l’arthrose (Caron et al., 1996). Et de façon surprenante, les souris déficientes en IL-1β montrent une

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augmentation des lésions du cartilage après une arthrose induite (Clements et al., 2003) suggérant ici, un rôle indispensable de l’IL1ß dans l’équilibre entre l’anabolisme et le catabolisme.

Le tissu synovial semble également avoir un rôle en induisant la synthèse de nombreux médiateurs impliqués dans la destruction qui, libérés dans la cavité articulaire, viennent aggraver ces mécanismes de destruction.

Le tissu synovial peut être le siège de poussés congestives d’un certain degré d’inflammation (synovite), se traduisant cliniquement par des douleurs et un épanchement. La membrane synoviale peut subir un infiltrat de cellules inflammatoires. Cette synovite s’accompagne alors d’un phénomène de néoangiogenèse. De plus, dans ce processus aberrant, l’expression de facteurs de croissance comme le TGFβ et la surexpression d’autres réponses inflammatoires peuvent mener les chondrocytes à l’hypertrophie et l’apoptose ainsi qu’à la formation d’ostéophyte.

D’autres facteurs contribuent à la pathogenèse de l’arthrose dans le cartilage. Chez les individus âgés, les AGEs sont également impliqués dans ce processus. Ces AGEs s’accumulent dans le cartilage articulaire, se lient aux récepteurs chondrocytaire menant à une production de cytokines inflammatoires et de VEGF, menant à une vascularisation de la synoviale et une invasion vasculaire de l’articulation.

Dans le cartilage arthrosique, une augmentation de la synthèse des composants de la MEC a été mise en évidence. Les chondrocytes essayent de réparer la matrice abimée en augmentant leur activité anabolique. Malgré cette activité accrue, une perte importante de la quantité de protéoglycanes est l’un des signes caractéristiques de tous les stades d’arthrose. En réalité, l’hyperactivité de synthèse matricielle semble être réduit aux chondrocytes des zones moyennes et profondes du cartilage arthrosique, où la MEC est histologiquement intacte et où aucune perte significative de protéoglycane n’est détectable (Sandell and Aigner, 2001).

De plus, la production de VEGF par les chondrocytes mène à une vascularisation de la synoviale et à une invasion vasculaire de l’articulation.

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b3.Modifications phénotypiques

Les chondrocytes activés sont retrouvés dans les zones moyennes du cartilage arthrosique. Ces cellules expriment du pro-collagène de type IIa fonctionnel, ce qui indique qu’une proportion significative des chondrocytes articulaires adultes ré-expriment un phénotype de cellules chondroprogénitrices au cours de la dégénérescence du cartilage arthrosique.

Les cellules exprimant le collagène de type III (chondrocytes dédifférenciés) sont surtout retrouvées dans la zone médiane supérieure.

Un phénomène important et très intéressant au cours de l’arthrose est la capacité des chondrocytes à mimer des mécanismes moléculaires qui ont lieu au cours du développement embryonnaire (Aigner and Gerwin, 2007). Cela inclut les changements de phénotype cellulaire et les événements cataboliques/anaboliques mais aussi des mécanismes comme la calcification de la matrice, l’apoptose et la prolifération. Cette différenciation hypertrophique (Chapitre I, paragraphe B) et l’induction de marqueurs correspondants comme le collagène de type X, est majoritairement confinée aux zones profondes du cartilage (Aigner et al., 2007).

b4.Formation secondaire de cartilage, les ostéophytes

Une caractéristique remarquable dans les articulations atteintes d’arthrose est le développement de nodules osteochondraux importants appelés ostéophytes (ou osteochondrophytes ou chondro-ostéophytes). La présence de ces structures permet de distinguer l’arthrose de toute autre pathologie arthritique. Il semble que des facteurs mécaniques et hormonaux soient impliqués dans la formation des ostéophytes, aidant probablement à la stabilité de l’articulation affectée par l’arthrose (Akkiraju and Nohe, 2015).

c. Signalisation dans le chondrocyte articulaire arthrosique

Le développement, la croissance, la maintenance et la réparation du cartilage articulaire sont contrôlés par de nombreux facteurs de signalisation qui mènent à de nombreux

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rôles dans le métabolisme chondrocytaire. Un déséquilibre entre ces voies a lieu dans le cartilage articulaire arthrosique. Les cascades de signalisation impliquées dans la progression de l’arthrose sont TGFβ1, BMP2/4/7, Wnt5a, Insulin Growth Factor 1 (IGF-1) et Fibroblast Growth Factor 2 (FGF-2). Les voies du TGFß1, BMP2/4/7 et IGF-1 ont en effet un rôle catabolique dans l’arthrose mais elles contribuent également à la formation du cartilage (Chapitre 1, paragraphe B), (Blaney Davidson et al., 2007; Goldring et al., 2006; van der Kraan and van den Berg, 2012; Papathanasiou et al., 2012). Les voies du facteur induit par l’hypoxie (HIF), NFkβ et MAPK contribuent également à la progression de l’arthrose (Olivotto et al., 2015; Saito et al., 2010).

La figure 16 _{résume les voies de signalisation impliquées dans la progression de}

l’arthrose.

d. Rôle de la MEC et de ses fragments dans la régulation du métabolisme du cartilage

d1.La fibronectine et ses fragments

Alors que la concentration de certaines protéines diminue dans l’arthrose, la concentration en fibronectine native, est augmentée dans la matrice du cartilage arthrosique (Miller et al., 1984; Wurster and Lust, 1984). Cette augmentation de fibronectine est probablement due à une augmentation de la synthèse et de la rétention de fibronectine (Wurster and Lust, 1984). A un certain moment, la synthèse de fibronectine diminue à cause d’une surcharge métabolique des chondrocytes. Les concentrations en fibronectine sont également augmentées dans le liquide synovial des patients arthrosiques (Scott et al., 1981). L’augmentation peut être de l’odre de 3 à 4 fois, la concentration moyenne de fibronectine chez des donneurs sains augmente de 171ug/ml à 721 dans le liquide synoviale arthrosique (Carnemolla et al., 1984).

La fibronectine qui est une protéine matricielle et circulante peut être dégradée en fragments (Fn-fs) par différents types de protéinases. Des fragments de 29kDa à 200kDa ont été trouvé dans le liquide synovial de patients atteints de polyarthrite rhumatoïde, d’arthrose, et d’arthrite (Griffiths et al., 1989).

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Figure 16 : Cascade de signalisation impliquée dans l’arthrose (Akkiraju and Nohe, 2015). Les mécanismes régulateurs des facteurs de croissance sont responsables de l’homéostasie du cartilage. Un déséquilibre entre eux est souvent observé dans le cartilage arthrosique. Les

voies de signalisation activées et impliquées dans la progression de l’arthrose sont le TGFβ,

BMP2/4/7, Wnt5a, IGF-1 et FGF2.

Récemment, le rôle précis de ces fragments de fibronectine dans le cartilage dégénérescent a été mis en évidence. En effet, ces fragments, à la concentration de 0,1-1µM, sont capables à eux seuls d’activer des métalloprotéinases (MMP1, MMP2, MMP3, MMP9 et MMP13) dans les chondrocytes humains par la production de ROS (Del Carlo et

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al., 2007), par la voie de signalisation TLR2 (Hwang et al., 2015), la voie NFκß (Ding et al., 2009), rac1 (Long et al., 2013) ou encore les MAPK (Ding et al., 2008) grâce à la liaison de ces fragments à la sous-unité α5 des intégrines (Figure 17_{) (Homandberg et}

al., 2002).

Figure 17 : Voies de signalisation activées dans les chondrocytes par les fragments de fibronectine (Loeser, 2014). Les fragments de peptides et de fibronectine contenant la séquence de liaison cellulaire RGD peuvent se lier à l’intégrine α5β1 et initier une cascade de signalisation cellulaire qui résulte en une augmentation de l’expression de médiateurs pro-inflammatoires et des enzymes de dégradation de la matrice. Les fragments de fibronectine, comme le fragment N-terminal de 29kD qui n’a pas de séquence RGD semble également se lier et agir via l’intégrine α5β1. Les espèces réactives de l’oxygène (ROS) et la petite GTPase Rac1 sont nécessaires pour l’activation de l’expression génique mais il n’est pas encore clair précisément où cette voie de signalisation agit.

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Les fragments de Fibronectine de 29-kDa, 50-kDa, 140-kDa et la Fibronectine native montrent respectivement une activité catabolique du PG de 9, 6, 2 et 1,1 fois par rapport aux concentrations contrôles et sont liés au cartilage dans la mesure de 180, 20, 18 et 2 pmol/100mg de cartilage, respectivement (Xie and Homandberg, 1993). L’activité de dégradation du protéoglycane est donc plus élevée pour les plus petits fragments et en particulier le fragment de 29kDa.

En revanche, peu de choses sont connues sur le mécanisme par lequel les fragments de fibronectine participent à la signalisation catabolique des chondrocytes.

Mais les fragments de fibronectine peuvent également induire les IGFBPs dans les chondrocytes humains (Purple et al., 2002) tout comme la prolifération et l’adhésion de cellules endothéliales (Wilson et al., 2003).

La capacité catabolique des fragments de fibronectine peut aisément s’expliquer à travers le fait que les Fn-fs induisent la production des cytokines IL1-α, IL1-β, IL-6 et TNF-α dans le cartilage humain (Homandberg et al., 1997).

Une question importante est maintenant de déterminer si les les Fn-fs peuvent initier les événements précoces dans l’arthrose ou s’ils n’apparaissent qu’ultérieurement, amplifiant la réponse catabolique (Homandberg, G et al., 2007).

d2.Collagènes

Le type de collagène majoritaire dans le cartilage, le collagène de type II, a une concentration élevée dans les stades tardifs d’arthrose (Lorenzo et al., 2004), ce qui peut provoquer une augmentation des fragments de collagène II (Col-fs). Des Col-fs sont retrouvés dans des modèles d’arthrose. Par exemple, des Col-fs sont mesurés à une concentration de 6 µg/ml dans le liquide synovial de lapins traités chirurgicalement pour induire l’arthrose (Felice et al., 1999). Alors que différents types de Col-fs de collagène de type II peuvent être générés par une dégénérescence du cartilage, de nombreuses observations montrent que ce sont surtout les telopeptides, appelés N et C-telopeptides (Chapitre I, paragraphe A). Les C-telopeptides N ont été mis en évidence comme marqueurs de cancer alors que les telopeptides C sont associés avec la prévalence et la progression des arthroses du genou et de la hanche (Reijman et al.,

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2004). De façon intéressante le telopeptide C est élevé dans l’urine de patients arthrosiques (Jung et al., 2004), est lié avec un turnover important du cartilage des patients arthrosiques (Christgau et al., 2004), augmente après un traumatisme de l’articulation (Lohmander et al., 2003) et se retrouve élevé dans le liquide synovial du modèle de méniscectomie chez le lapin (Lindhorst et al., 2005).

La première mise en évidence de l’activité des Col-fs contre le cartilage montre que la collagénase bactérienne digère le collagène de type II de cartilage articulaire bovin générant des fragments inférieurs a 10kDa qui stimulent les concentrations en MMPs et diminue la concentration en protéoglycane à partir d’explants (Jennings et al., 2001). Depuis on sait qu’il existe également les telopeptides N et C et en 2006 il a été mis en évidence que les Col-fs et les telopeptides synthétiques peuvent augmenter les concentrations en MMP2, MMP3, MMP9 et MMP13 (Fichter et al., 2006). Les peptides de collagène II sont également capables d’induire le clivage du collagène de type II et de l’agrécane dans le cartilage articulaire (Yasuda et al., 2006) mais ils possèdent une