Rôle des enzymes et des cytokines dans la pathogenèse de l'arthrose

Ces dernières années, les chercheurs se sont beaucoup intéressés à l'identification des protéases responsables de la dégradation de la matrice extracellulaire du cartilage articulaire dans l'arthrose. Selon les concepts modernes, les métalloprotéases matricielles (MMP) jouent un rôle important dans la pathogenèse de l'arthrose. Chez les patients atteints d'arthrose, on observe une augmentation des taux de trois MMP: les collagénases, les stromélysines et les gélatinases. La collagénase est responsable de la dégradation du collagène natif, la stromélysine du collagène de type IV, des protéoglycanes et de la laminine, et la gélatinase de la dégradation de la gélatine, des collagènes de type IV, Vh XI et de l'élastine. De plus, on suppose la présence d'une autre enzyme, l'aggrécanase, possédant les propriétés des MMP et responsable de la protéolyse des agrégats de protéoglycanes cartilagineux.

Trois types de collagénases ont été identifiés dans le cartilage articulaire humain, dont les taux sont significativement élevés chez les patients atteints d'arthrose: la collagénase-1 (MMP-1), la collagénase-2 (MMP-8) et la collagénase-3 (MMP-13). La coexistence de trois types différents de collagénases dans le cartilage articulaire suggère que chacune d'entre elles joue un rôle spécifique. En effet, les collagénases-1 et -2 sont localisées principalement dans la zone intermédiaire superficielle et supérieure du cartilage articulaire, tandis que la collagénase-3 se trouve dans la zone intermédiaire inférieure et dans la zone profonde. De plus, les résultats d'une étude immunohistochimique ont démontré qu'à mesure que l'arthrose progresse, le taux de collagénase-3 atteint un plateau, voire diminue, tandis que le taux de collagénase-1 augmente progressivement. Il est prouvé que dans l'arthrose, la collagénase-1 est principalement impliquée dans le processus inflammatoire du cartilage articulaire, tandis que la collagénase-3 est impliquée dans le remodelage tissulaire. La collagénase-3, exprimée dans le cartilage des patients atteints d'arthrose, dégrade le collagène de type II plus intensément que la collagénase-1.

Parmi les représentants du deuxième groupe de métalloprotéases, trois ont également été identifiés dans la stromélysine humaine: la stromélysine-1 (MMP-3), la stromélysine-2 (MMP-10) et la stromélysine-3 (MMP-11). On sait aujourd'hui que seule la stromélysine-1 est impliquée dans le processus pathologique de l'arthrose. La stromélysine-2 n'est pas détectée dans la membrane synoviale des patients atteints d'arthrose, mais on la trouve en très faible quantité dans les fibroblastes synoviaux des patients atteints de polyarthrite rhumatoïde. La stromélysine-3 est également présente dans la membrane synoviale des patients atteints de polyarthrite rhumatoïde, à proximité des fibroblastes, notamment dans les zones de fibrose.

Dans le groupe des gélatinases du tissu cartilagineux humain, seules deux ont été identifiées: la gélatinase 92 kD (gélatinase B ou MMP-9) et la gélatinase 72 kD (gélatinase A ou MMP-2); chez les patients souffrant d'arthrose, une augmentation du taux de gélatinase 92 kD est déterminée.

Récemment, un autre groupe de MMP, localisées à la surface des membranes cellulaires, a été identifié: les MMP membranaires (MMP-MT). Ce groupe comprend quatre enzymes: MMP-MT1 et MMP-MT-4. L’expression de MMP-MT a été observée dans le cartilage articulaire humain. Bien que la MMP-MT-1 possède des propriétés collagénases, les deux enzymes MMP-MT-1 et MMP-MT-2 sont capables d’activer la gélatinase-72 kDa et la collagénase-3. Le rôle de ce groupe de MMP dans la pathogenèse de l’arthrose doit être clarifié.

Les protéinases sont sécrétées sous forme de zymogène, activé par d'autres protéinases ou des composés organo-mercuriels. L'activité catalytique des MMP dépend de la présence de zinc dans la zone active de l'enzyme.

L'activité biologique des MMP est contrôlée par des TIMP spécifiques. À ce jour, trois types de TIMP ont été identifiés dans les tissus articulaires humains: TIMP-1–TIMP-3. Un quatrième type de TIMP a été identifié et cloné, mais n'a pas encore été détecté dans les tissus articulaires humains. Ces molécules se lient spécifiquement au site actif des MMP, bien que certaines d'entre elles soient capables de se lier au site actif des progélatinase de 72 kD (TIMP-2, -3, -4) et de 92 kD (TIMP-1 et -3). Des données suggèrent que dans l'arthrose, il existe un déséquilibre entre les MMP et les TIMP dans le cartilage articulaire, entraînant un déficit relatif en inhibiteurs, probablement dû en partie à une augmentation du taux de MMP actives dans le tissu. Les TIMP-1 et -2 sont présents dans le cartilage articulaire et sont synthétisés par les chondrocytes. Dans l'arthrose, seul le TIMP de type I est détecté dans la membrane synoviale et le liquide synovial. Le TIMP-3 est présent exclusivement dans la matrice extracellulaire (MEC). Le TIMP-4 partage près de 50 % de sa séquence d'acides aminés avec le TIMP-2 et 38 % avec le TIMP-1. Dans d'autres cellules cibles, le TIMP-4 est responsable de la modulation de l'activation de la progélatinase de 72 kD à la surface cellulaire, indiquant un rôle important de régulateur tissulaire spécifique du remodelage de la MEC.

Un autre mécanisme de contrôle de l'activité biologique des MMP est leur activation physiologique. On pense que les enzymes de la famille des sérine et des cystéine protéases, telles que l'AP/plasmine et la cathepsine B, sont des activateurs physiologiques des MMP. Des taux accrus d'urokinase (uAP) et de plasmine ont été observés dans le cartilage articulaire de patients souffrant d'arthrose.

Bien que plusieurs types de cathepsines soient présents dans les tissus articulaires, la cathepsine-B est considérée comme l'activateur le plus probable des MMP dans le cartilage. Des inhibiteurs physiologiques des protéases à sérine et à cystéine ont été détectés dans les tissus articulaires humains. L'activité de l'inhibiteur de l'AP-1 (IAI-1), ainsi que des protéases à cystéine, est réduite chez les patients souffrant d'arthrose. Comme pour les MMP/TIMP, c'est le déséquilibre entre les protéases à sérine et à cystéine et leurs inhibiteurs qui peut expliquer l'activité accrue des MMP dans le cartilage articulaire des patients souffrant d'arthrose. De plus, les MMP peuvent s'activer mutuellement. Par exemple, la stromélysine-1 active la collagénase-1, la collagénase-3 et la gélatinase 92 kDa; la collagénase-3 active la gélatinase 92 kDa; la MMP-MT active la collagénase-3 et la gélatinase-72 kDa potentialise cette activation; La MMP-MT active également la gélatinase 72 kDa. Les cytokines peuvent être divisées en trois groupes: destructrices (inflammatoires), régulatrices (y compris anti-inflammatoires) et anaboliques (facteurs de croissance).

Types de cytokines (selon van den Berg WB et al)

Destructeur	Interleukine-1 TNF-α Facteur inhibiteur de la leucémie Interleukine-17
Réglementaire	Interleukine-4 Interleukine-10 Interleukine-13 Inhibiteurs enzymatiques
Anabolisant	Facteurs de croissance de type insuline TGF-b Protéines morphogénétiques osseuses Protéines morphogénétiques dérivées du cartilage

Les cytokines destructrices, en particulier l'IL-1, induisent une augmentation de la libération de protéases et inhibent la synthèse de protéoglycanes et de collagènes par les chondrocytes. Les cytokines régulatrices, en particulier l'IL-4 et l'IL-10, inhibent la production d'IL-1, augmentent la production de l'antagoniste du récepteur de l'IL-1 (IL-1RA) et réduisent le taux de NO synthase dans les chondrocytes. Ainsi, l'IL-4 neutralise l'IL-1 de trois manières: 1) en réduisant sa production, inhibant ainsi ses effets; 2) en augmentant la production de l'IL-1RA, principal « capteur »; et 3) en réduisant la production du NO, principal « messager » secondaire. De plus, l'IL-4 réduit la dégradation enzymatique des tissus. In vivo, l'effet thérapeutique optimal est obtenu avec une association d'IL-4 et d'IL-10. Les facteurs anabolisants tels que TGF-β et IGF-1 n'interfèrent pas réellement avec la production ou l'action de l'IL-1, mais présentent l'activité opposée, par exemple, en stimulant la synthèse des protéoglycanes et du collagène, en supprimant l'activité des protéases, et TGF-β inhibe également la libération d'enzymes et stimule leurs inhibiteurs.

Les cytokines pro-inflammatoires sont responsables de l'augmentation de la synthèse et de l'expression des MMP dans les tissus articulaires. Elles sont synthétisées dans la membrane synoviale puis diffusent dans le cartilage articulaire via le liquide synovial. Les cytokines pro-inflammatoires activent les chondrocytes, qui à leur tour sont capables de produire des cytokines pro-inflammatoires. Dans les articulations atteintes d'arthrose, le rôle d'effecteur de l'inflammation est principalement joué par les cellules de la membrane synoviale. Ce sont les synovocytes de type macrophage qui sécrètent les protéases et les médiateurs de l'inflammation. Parmi eux, l'IL-f, le TNF-a, l'IL-6, le facteur inhibiteur de la leucémie (LIF) et l'IL-17 sont les plus impliqués dans la pathogenèse de l'arthrose.

Substances biologiquement actives qui stimulent la dégradation du cartilage articulaire dans l'arthrose

• Interleukine-1
• Interleukine-3
• Interleukine-4
• TNF-α
• Facteurs de stimulation des colonies: macrophages (monocytes) et granulocytes-macrophages
• Substance P
• PGE ₂
• Activateurs du plasminogène (types tissulaires et urokinase) et plasmine
• Métalloprotéases (collagénases, ellastases, stromélysines)
• Cathepsines A et B
• Trilsin
• Lipopolysaccharides bactériens
• Ag phospholipase

Les données de la littérature indiquent que l'IL-1 et, possiblement, le TNF-α sont les principaux médiateurs de la destruction des tissus articulaires dans l'arthrose. Cependant, on ignore encore s'ils agissent indépendamment l'un de l'autre ou s'il existe une hiérarchie fonctionnelle entre eux. Des modèles animaux d'arthrose ont montré que le blocage de l'IL-1 prévient efficacement la destruction du cartilage articulaire, tandis que le blocage du TNF-α entraîne uniquement une diminution de l'inflammation des tissus articulaires. Des concentrations accrues de ces deux cytokines ont été observées dans la membrane synoviale, le liquide synovial et le cartilage des patients. Dans les chondrocytes, elles sont capables d'augmenter la synthèse non seulement de protéases (principalement MMP et AP), mais aussi de collagènes mineurs, tels que les types I et III, et de réduire la synthèse des collagènes de types II et IX et des protéoglycanes. Ces cytokines stimulent également les espèces réactives de l'oxygène et les médiateurs de l'inflammation tels que la _PGE₂. Le résultat de ces changements macromoléculaires dans le cartilage articulaire dans l’arthrose est l’inefficacité des processus réparateurs, ce qui conduit à une dégradation supplémentaire du cartilage.

Les cytokines pro-inflammatoires mentionnées ci-dessus modulent les processus de suppression/activation des MMP dans l'arthrose. Par exemple, le déséquilibre entre les taux de TIMP-1 et de MMP dans le cartilage dans l'arthrose pourrait être médié par l'IL-1, puisqu'une étude in vitro a démontré qu'une augmentation des concentrations d'IL-1 bêta entraîne une diminution des concentrations de TIMP-1 et une augmentation de la synthèse de MMP par les chondrocytes. La synthèse d'AP est également modulée par l'IL-1 bêta. La stimulation in vitro des chondrocytes du cartilage articulaire par l'IL-1 entraîne une augmentation dose-dépendante de la synthèse d'AP et une forte diminution de la synthèse d'iAP-1. La capacité de l'IL-1 à diminuer la synthèse d'iAP-1 et à stimuler la synthèse d'AP est un puissant mécanisme de production de plasmine et d'activation des MMP. De plus, la plasmine n'est pas seulement une enzyme qui active d'autres enzymes, elle participe également au processus de dégradation du cartilage par protéolyse directe.

L'IL-ip est synthétisée sous forme de précurseur inactif d'une masse de 31 kD (pré-IL-ip), puis, après clivage du peptide signal, est convertie en une cytokine active d'une masse de 17,5 kD. Dans les tissus articulaires, notamment la membrane synoviale, le liquide synovial et le cartilage articulaire, l'IL-ip est présente sous forme active, et des études in vivo ont démontré la capacité de la membrane synoviale à sécréter cette cytokine dans l'arthrose. Certaines protéases à sérine sont capables de convertir la pré-IL-ip en sa forme bioactive. Chez les mammifères, de telles propriétés n'ont été observées que chez une seule protéase, appartenant à la famille des enzymes spécifiques de l'aspartate de cystéine, appelée enzyme de conversion de l'IL-1β (ICF, ou caspase-1). Cette enzyme est capable de convertir spécifiquement la pré-IL-ip en IL-ip « mature » biologiquement active d'une masse de 17,5 kD. L'ICF est une proenzyme de 45 kD (p45) localisée dans la membrane cellulaire. Après clivage protéolytique de la proenzyme p45, deux sous-unités, p10 et p20, se forment, caractérisées par une activité enzymatique.

Le TNF-α est également synthétisé sous forme de précurseur membranaire d'une masse de 26 kDa; par clivage protéolytique, il est libéré de la cellule sous forme soluble active d'une masse de 17 kDa. Le clivage protéolytique est réalisé par l'enzyme de conversion du TNF-α (TNF-AC), qui appartient à la famille des adamalizines. AR Amin et al. (1997) ont constaté une expression accrue de l'ARNm du TNF-AC dans le cartilage articulaire de patients souffrant d'arthrose.

L'activation biologique des chondrocytes et des synovocytes par l'IL-1 et le TNF-α est médiée par la liaison à des récepteurs spécifiques à la surface cellulaire: IL-R et TNF-R. Deux types de récepteurs ont été identifiés pour chaque cytokine: IL-IP de types I et II et TNF-R de types I (p55) et II (p75). L'IL-1PI et la p55 sont responsables de la transmission du signal dans les cellules des tissus articulaires. L'IL-1R de type I a une affinité légèrement supérieure pour l'IL-1β que pour l'IL-1α; l'IL-1R de type II, au contraire, a une affinité plus élevée pour l'IL-1β que pour l'IL-β. On ignore encore si l'IL-IP de type II peut médier les signaux de l'IL-1 ou si elle sert uniquement à l'inhibition compétitive de l'association de l'IL-1 avec l'IL-1R de type I. Les chondroïtides et les fibroblastes synoviaux des patients atteints d'arthrose contiennent de grandes quantités d'IL-1PI et de p55, ce qui explique la grande sensibilité de ces cellules à la stimulation par les cytokines correspondantes. Ce processus entraîne à la fois une augmentation de la sécrétion d'enzymes protéolytiques et la destruction du cartilage articulaire.

L'implication de l'IL-6 dans le processus pathologique de l'arthrose ne peut être exclue. Cette hypothèse repose sur les observations suivantes:

• L'IL-6 augmente le nombre de cellules inflammatoires dans la membrane synoviale,
• L'IL-6 stimule la prolifération des chondrocytes,
• L'IL-6 renforce les effets de l'IL-1 en augmentant la synthèse de MMP et en inhibant la synthèse de protéoglycanes.

Cependant, l'IL-6 est capable d'induire la production de TIMP, mais n'affecte pas la production de MMP, on pense donc que cette cytokine est impliquée dans le processus d'inhibition de la dégradation protéolytique du cartilage articulaire, qui s'effectue par un mécanisme de rétroaction.

Un autre membre de la famille de l'IL-6 est le LIF, une cytokine produite par des chondrocytes prélevés chez des patients atteints d'arthrose en réponse à une stimulation par les cytokines pro-inflammatoires IL-1p et TNF-a. Le LIF stimule la résorption des protéoglycanes cartilagineux, ainsi que la synthèse des MMP et la production de NO. Le rôle de cette cytokine dans l'arthrose n'est pas encore totalement élucidé.

L'IL-17 est un homodimère de 20 à 30 kDa dont l'effet est similaire à celui de l'IL-1, mais beaucoup moins prononcé. L'IL-17 stimule la synthèse et la libération de plusieurs cytokines pro-inflammatoires, dont l'IL-1p, le TNF-α, l'IL-6 et la MMP, dans les cellules cibles, comme les macrophages humains. De plus, l'IL-17 stimule la production de NO par les chondrocytes. Comme pour le LIF, le rôle de l'IL-17 dans la pathogenèse de l'arthrose a été peu étudié.

Le radical libre inorganique NO joue un rôle important dans la dégradation du cartilage articulaire dans l'arthrose. Les chondrocytes isolés de patients arthrosiques produisent des quantités plus élevées de NO, spontanément et après stimulation par des cytokines pro-inflammatoires, que les cellules normales. Une teneur élevée en NO a été observée dans le liquide synovial et le sérum de patients arthrosiques. Ceci résulte d'une expression et d'une synthèse accrues de la NO synthase induite (hNOC), l'enzyme responsable de la production de NO. Récemment, l'ADN de la hNOC spécifique des chondrocytes a été cloné et la séquence en acides aminés de l'enzyme a été déterminée. Cette séquence présente une identité de 50 % et une similarité de 70 % avec la hNOC spécifique de l'endothélium et du tissu nerveux.

Le NO inhibe la synthèse des macromolécules de la matrice extracellulaire du cartilage articulaire et stimule la synthèse des MMP. De plus, une augmentation de la production de NO s'accompagne d'une diminution de la synthèse de l'antagoniste de l'IL-1 (IL-1RA) par les chondrocytes. Ainsi, une augmentation du taux d'IL-1 et une diminution de celui d'IL-1RA entraînent une hyperstimulation du NO dans les chondrocytes, ce qui entraîne une dégradation accrue de la matrice cartilagineuse. Des études ont montré l'effet thérapeutique in vivo d'un inhibiteur sélectif de l'hNOC sur la progression de l'arthrose expérimentale.

Les inhibiteurs naturels de cytokines sont capables d'empêcher directement les cytokines de se lier aux récepteurs de la membrane cellulaire, réduisant ainsi leur activité pro-inflammatoire. Ils peuvent être classés en trois classes selon leur mode d'action.

La première classe d'inhibiteurs comprend des antagonistes des récepteurs qui empêchent la liaison du ligand à son récepteur en entrant en compétition pour le site de liaison. À ce jour, un tel inhibiteur n'a été découvert que pour l'IL-1; il s'agit de l'IL-1 PA, un inhibiteur compétitif du système IL-1/ILIP, mentionné précédemment. L'IL-1 PA bloque de nombreux effets observés dans les tissus articulaires dans l'arthrose, notamment la synthèse des prostaglandines par les cellules synoviales, la production de collagénase par les chondrocytes et la dégradation de la moelle osseuse du cartilage articulaire.

L'IL-1RA existe sous différentes formes: une forme soluble (rIL-1RA) et deux formes intercellulaires (μIL-lPAI et μIL-1RAP). L'affinité de la forme soluble de l'IL-1RA est cinq fois supérieure à celle des formes intercellulaires. Malgré des recherches scientifiques intensives, la fonction de ces dernières reste inconnue. Des expériences in vitro ont montré que l'inhibition de l'activité de l'IL-1 bêta nécessite une concentration d'IL-1RA 10 à 100 fois supérieure à la normale, tandis qu'in vivo, elle nécessite une concentration d'IL-1RA mille fois supérieure. Ce fait pourrait expliquer en partie le déficit relatif en IL-1RA et l'excès d'IL-1 dans la synovie des patients atteints d'arthrose.

La deuxième classe d'inhibiteurs naturels des cytokines est celle des récepteurs solubles. Parmi ces inhibiteurs, associés à la pathogenèse de l'arthrose chez l'homme, on trouve le rIL-1R et le pp55. Les récepteurs solubles des cytokines sont des formes raccourcies de récepteurs normaux; lorsqu'ils se lient aux cytokines, ils empêchent leur liaison aux récepteurs membranaires des cellules cibles, agissant par un mécanisme d'antagonisme compétitif.

Le principal précurseur des récepteurs solubles est l'IL-1RP membranaire. L'affinité de la rIL-IP pour l'IL-1 et l'IL-1RA est différente. Ainsi, la rIL-1RN présente une affinité plus élevée pour l'IL-1β que pour l'IL-1RA, et la rIL-1PI présente une affinité plus élevée pour l'IL-1RA que pour l'IL-ip.

Il existe également deux types de récepteurs solubles du TNF: pp55 et pp75. Comme les récepteurs solubles de l'IL-1, ils se forment par « desquamation ». In vivo, ces deux récepteurs sont présents dans les tissus des articulations affectées. Le rôle des récepteurs solubles du TNF dans la pathogenèse de l'arthrose est controversé. On suppose qu'à faibles concentrations, ils stabilisent la structure tridimensionnelle du TNF et augmentent la demi-vie de la cytokine bioactive, tandis que des concentrations élevées de pp55 et pp75 peuvent réduire l'activité du TNF par antagonisme compétitif. pp75 pourrait probablement agir comme transporteur du TNF, facilitant sa liaison au récepteur membranaire.

La troisième classe d'inhibiteurs naturels de cytokines est représentée par un groupe de cytokines anti-inflammatoires, comprenant le TGF-bêta, l'IL-4, l'IL-10 et l'IL-13. Les cytokines anti-inflammatoires réduisent la production de protéases pro-inflammatoires et de certaines protéases, et stimulent la production d'IL-1RA et de TIMP.