Le rôle des dépôts de cristaux dans la pathogenèse de l'arthrose

Des cristaux de phosphate de calcium basique (PCB) sont présents dans le liquide synovial de 30 à 60 % des patients souffrant d'arthrose. Selon A. Swan et al. (1994), des cristaux contenant du calcium sont présents dans le liquide synovial d'un nombre beaucoup plus important de patients souffrant d'arthrose; cependant, en raison de la taille extrêmement petite des cristaux ou de leur faible nombre, ils ne sont pas identifiés par les techniques conventionnelles. La présence de cristaux de PCB dans le liquide synovial est corrélée à des signes radiographiques de dégénérescence du cartilage articulaire et est associée à un volume d'épanchement plus important que dans les articulations du genou sans cristaux. Une étude des facteurs influençant la progression radiographique de la gonarthrose a montré que le dépôt de cristaux de pyrophosphate de calcium dihydraté (PPCD) est un facteur prédictif d'une évolution clinique et radiographique défavorable. Une étude menée auprès de patients âgés a montré que l'arthrose était associée à une chondrocalcinose, en particulier dans le compartiment tibiofémoral latéral du genou et les trois premières articulations métacarpophalangiennes. Il n'est pas rare que les deux types de cristaux, OFC et PFC, soient présents chez les patients souffrant d'arthrose.

Cliniquement, la dégénérescence du cartilage articulaire causée par le dépôt de cristaux de calcium diffère de celle observée dans l'arthrose primaire. Si les cristaux étaient un simple épiphénomène de la dégénérescence du cartilage, ils seraient présents dans les articulations les plus souvent touchées par l'arthrose primaire, à savoir les genoux, les hanches et les petites articulations des mains. En revanche, les maladies par dépôt de cristaux touchent le plus souvent des articulations non typiques de l'arthrose primaire, comme l'épaule, le poignet et le coude. La présence de cristaux dans le liquide articulaire (épanchement) est associée à une dégénérescence plus sévère du cartilage articulaire. La question de savoir quelle est la cause et quelle est la conséquence, dépôt de cristaux ou dégénérescence du cartilage, est débattue. Une position intermédiaire est occupée par l'hypothèse suivante: une anomalie primaire du métabolisme du cartilage entraîne sa dégénérescence, et le dépôt secondaire de cristaux accélère sa dégradation (théorie dite de la boucle d'amplification).

Le mécanisme exact par lequel les cristaux de calcium endommagent le cartilage articulaire est inconnu et résumé ci-dessous. Théoriquement, les cristaux de calcium peuvent endommager directement les chondrocytes. Cependant, l'examen histologique révèle rarement des cristaux à proximité des chondrocytes, et encore plus rarement leur ingestion. Le mécanisme le plus probable est la phagocytose des cristaux par les cellules de la muqueuse synoviale, suivie de la libération d'enzymes protéolytiques ou de la sécrétion de cytokines qui stimulent la libération d'enzymes par les chondrocytes. Cette théorie est étayée par une étude du rôle de la synovite induite par la PFKD dans le développement d'une arthrose à progression rapide dans l'arthropathie à pyrophosphate. Dans cette étude, des cristaux de pyrophosphate de calcium dihydraté (1 ou 10 mg) ont été injectés chaque semaine dans le genou droit de lapins atteints d'arthrose induite par une méniscectomie latérale partielle. Il s'est avéré qu'après 8 injections, l'articulation du genou droit présentait des modifications significativement plus graves que la gauche. L'intensité de l'inflammation synoviale était corrélée aux injections intra-articulaires de cristaux de pyrophosphate de calcium dihydraté et à leur dose. Bien que les doses de cristaux de CPPD utilisées dans cette étude soient supérieures à celles utilisées in vivo, les résultats indiquent le rôle de l'inflammation induite par le CPPD dans la progression de l'arthrose dans l'arthropathie à pyrophosphate.

Les mécanismes potentiels d’induction de lésions du cartilage articulaire par des cristaux contenant du calcium sont associés à leurs propriétés mitogènes, à leur capacité à induire des MMP et à stimuler la synthèse des prostaglandines.

Effet mitogène des cristaux contenant du calcium. Dans les arthropathies associées aux cristaux, une prolifération des cellules de la muqueuse synoviale est fréquemment observée, les cristaux eux-mêmes n'étant que partiellement responsables de ce processus. L'augmentation du nombre de cellules synoviales s'accompagne d'une sécrétion accrue de cytokines, qui favorisent la chondrolyse et induisent la sécrétion d'enzymes protéolytiques. Aux concentrations observées en pathologie articulaire humaine, les cristaux d'OFC stimulent de manière dose-dépendante la mitogenèse des cultures de fibroblastes cutanés au repos et des fibroblastes synoviaux canins et murins. Les cristaux de pyrophosphate de calcium dihydraté, d'urate, de sulfate, de carbonate et de phosphate de calcium stimulent la croissance cellulaire. Le début et le pic d'incorporation de ( ^3H )-thymidine induits par ces cristaux sont décalés de 3 heures par rapport à la stimulation des cellules par le sérum sanguin. Ce laps de temps pourrait être nécessaire à la phagocytose et à la dissolution des cristaux. L'ajout de cristaux témoins de même taille (par exemple, poussière de diamant ou particules de latex) n'a pas stimulé la mitogenèse. Les cristaux d'urate de sodium monohydraté présentaient de faibles propriétés mitogènes et étaient significativement inférieurs à ceux de l'urate de calcium, ce qui témoigne de l'importance de leur teneur en calcium dans la mitogenèse. Les cristaux d'OFC synthétiques présentaient les mêmes propriétés mitogènes que les cristaux obtenus chez des patients atteints de chondrocalcinose. L'effet mitogène des cristaux contenant du calcium n'était pas dû à une augmentation de la teneur en calcium du milieu nutritif environnant in vitro, car la dissolution des cristaux de phosphate de calcium basique dans le milieu nutritif ne stimulait pas l'incorporation de ( ^3H )-thymidine par les fibroblastes.

Un mécanisme proposé pour la mitogenèse induite par l'OFC est que la prolifération anormale des cellules synoviales pourrait être due, au moins en partie, à l'endocytose et à la dissolution intracellulaire des cristaux, ce qui augmente les concentrations cytoplasmiques de Ca ²⁺ et active la voie dépendante du calcium conduisant à la mitogenèse. Ce concept est étayé par la nécessité d'un contact direct cellule-cristal pour stimuler la mitogenèse, puisque l'exposition des cultures cellulaires aux cristaux induit la croissance cellulaire, contrairement à l'exposition des cellules privées d'un tel contact. Pour étudier la nécessité d'une phagocytose des cristaux suite à une interaction cellule-cristal, des cellules ont été cultivées avec ^{du 45} Ca-OPC et de la ( ³ H)-thymidine. Il a été constaté que les cellules contenant ^{du 45} Ca-OPC incorporaient significativement plus de ( ³ H)-thymidine que les cellules sans marquage au phosphate de calcium basique. Dans les cultures de macrophages, l'inhibition de l'endocytose des cristaux par la cytochalasine a entraîné une inhibition de la dissolution des cristaux, soulignant ainsi la nécessité de la phagocytose.

Les cristaux contenant du calcium sont solubles dans l'acide. Après phagocytose, les cristaux se dissolvent dans l'environnement acide des phagolysosomes des macrophages. La chloroquine, le chlorure d'ammonium, la bafilomycine A1 et tous les agents lysosomotropes augmentant le pH lysosomal inhibent de manière dose-dépendante la dissolution des cristaux intracellulaires et la captation de (3H)-thymidine ^dans les fibroblastes cultivés avec des cristaux basiques de phosphate de calcium.

L'ajout de cristaux de phosphate de calcium (OFC) à une culture de fibroblastes monocouches a provoqué une multiplication immédiate par dix du calcium intracellulaire, revenu à son niveau initial après 8 minutes. La source de calcium était principalement des ions extracellulaires, les cristaux de phosphate de calcium basique ayant été ajoutés à un milieu de culture sans calcium. L'augmentation suivante de la concentration de calcium intracellulaire a été observée après 60 minutes et a duré au moins 3 heures. Ici, la source de calcium était des cristaux phagocytés dissous dans des phagolysosomes.

Français Il a été constaté que l'effet mitogène des cristaux d'OFC est similaire à celui du PDGF en tant que facteur de croissance; comme ce dernier, les cristaux d'OFC présentent une synergie avec l'IGF-1 et le plasma sanguin. Le blocage de l'IGF-1 réduit la mitogenèse cellulaire en réponse à l'OFC. PG Mitchell et al. (1989) ont montré que l'induction de la mitogenèse dans les fibroblastes Balb/c- ₃ T3 _par les cristaux d'OFC nécessite la présence de sérine/thréonine protéine kinase C (PKC), l'un des principaux médiateurs des signaux générés lors de la stimulation externe des cellules par des hormones, des neurotransmetteurs et des facteurs de croissance. Une diminution de l'activité de la PKC dans les cellules Balb/c-3 T3 _{inhibe l'induction médiée parl'OFC} des proto-oncogènes c-fos et c-myc, mais n'affecte pas la stimulation de ces oncogènes médiée par le PDGF.

L'augmentation du calcium intracellulaire suite à la dissolution des cristaux phagocytés n'est pas la seule voie de signalisation de la mitogenèse. Lorsque des facteurs de croissance comme le PDGF se lient à leur récepteur membranaire, la phospholipase C (une phosphodiestérase) est stimulée, hydrolysant le phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate pour former les messagers intracellulaires inositol-3-phosphate et diacylglycérol. Le premier libère le calcium du réticulum endoplasmique en modulant l'activité des enzymes calcium-dépendantes et calcium-calmoduline-dépendantes, telles que les protéines kinases et les protéases.

R. Rothenberg et H. Cheung (1988) ont signalé une dégradation accrue du phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate par la phospholipase C dans les cellules synoviales de lapin en réponse à une stimulation par des cristaux d'OFC. Ces derniers ont augmenté significativement la teneur en inositol-1-phosphate dans les cellules marquées au ( ^3H )-inositol; le pic a été atteint en 1 minute et a persisté pendant environ 1 heure.

Français Le diacylglycérol est un activateur potentiel du pyrophosphate de calcium dihydraté. Puisque les cristaux d'OFC augmentent l'activité de la phospholipase C, ce qui conduit à l'accumulation de diacylglycérol, on peut par conséquent s'attendre à une augmentation de l'activation de la PKC. PG Mitchell et al. (1989) ont comparé les effets des cristaux d'OFC et du PDGF sur la synthèse d'ADN par _{des fibroblastes Balb/c-3T3}. En culture cellulaire, la PKC a été inactivée par incubation des cellules avec du diester de phorbol de soutien tumoral (TPD), un analogue du diacylglycérol. Une stimulation à long terme avec de faibles doses de TPD a diminué l'activité de la PKC, tandis qu'une stimulation unique avec une dose élevée l'a activée. La stimulation de la synthèse d'ADN par les cristaux d'OFC a été supprimée après l'inactivation de la PKC, indiquant l'importance de cette enzyme dans la mitogenèse induite par l'OFC. Précédemment, GM McCarthy et al. (1987) ont démontré un lien entre la réponse mitogène des fibroblastes humains aux cristaux d'OFC et l'activation de la PKC. Cependant, les cristaux d'OFC n'activent pas la phosphatidylinositol 3-kinase ni les tyrosine kinases, confirmant ainsi la sélectivité du mécanisme d'activation cellulaire par les cristaux d'OFC.

La prolifération cellulaire est contrôlée par un groupe de gènes appelés proto-oncogènes. Les protéines foe et mye, produits des proto-oncogènes c-fos et c-myc, sont localisées dans le noyau cellulaire et liées à des séquences d'ADN spécifiques. La stimulation des fibroblastes 3T3 par des cristaux d'OFC induit l'expression de c-fos en quelques minutes, atteignant un maximum 30 minutes après stimulation. L'induction de la transcription de c-myc par les cristaux d'OFC ou le PDGF se produit en moins d'une heure et atteint un maximum 3 heures après stimulation. Les cellules maintiennent un niveau élevé de transcription de c-fos et de c-myc pendant au moins 5 heures. Dans les cellules dont la PCD est inactivée, la stimulation de c-fos et de c-myc par les cristaux d'OFC ou de TFD est significativement inhibée, tandis que l'induction de ces gènes par le PDGF reste inchangée.

Les membres de la famille des protéines kinases activées par les mitogènes (MAP K) sont des régulateurs clés de diverses cascades de signalisation intracellulaire. Une sous-classe de cette famille, p42/p44, régule la prolifération cellulaire par un mécanisme impliquant l'activation des proto-oncogènes c-fos et c-jun. Les cristaux d'OFC et de PFKD activent une voie de signalisation des protéines kinases impliquant à la fois p42 et p44, suggérant un rôle de cette voie dans la mitogenèse induite par les cristaux contenant du calcium.

Enfin, la mitogenèse induite par l'OFC implique le facteur de transcription NF-κB (nuclear factor κB), initialement décrit comme le gène de la chaîne légère de l'immunoglobuline κ (IgK). Il s'agit d'un facteur de transcription inductible, important dans de nombreuses voies de signalisation, car il régule l'expression de divers gènes. L'induction de NF-κB est généralement associée à la libération de protéines inhibitrices appelées IκB depuis le cytoplasme. L'induction de NF-κB est suivie de la translocation du facteur de transcription actif vers le noyau. Les cristaux d'OFC induisent NF-κB dans les fibroblastes Balb/c- _3T3 et les fibroblastes cutanés humains.

Plusieurs voies peuvent être impliquées dans la transduction du signal suite à l'activation de NF-κB, mais toutes impliquent des protéines kinases qui phosphorylent (et donc dégradent) IκB. D'après des études in vitro, IκB était auparavant considéré comme un substrat pour les kinases (par exemple, la PKC et la protéine kinase A). Cependant, un complexe kinase IκB de poids moléculaire élevé a récemment été identifié. Ces kinases phosphorylent spécifiquement les résidus sérine d'IκB. L'activation de NF-κB par le TNF-α et l'IL-1 nécessite l'action efficace de la kinase inductrice de NF-κB (NIK) et de la kinase IκB. Le mécanisme moléculaire de l'activation de NIK est actuellement inconnu. Bien que les cristaux d'OFC activent à la fois la PKC et le NF-κB, le degré de lien entre ces deux processus est inconnu. La modification de la GκB kinase s'effectuant par phosphorylation, on ne peut exclure un rôle de la PKC dans l'induction de NF-κB par les cristaux d'OFC via la phosphorylation et l'activation de la GκB kinase. Ce concept est étayé par l'inhibition de la mitogenèse induite par les cristaux d'OFC et de l'expression de NF-κB par la staurosporine, un inhibiteur de la PKC. De même, la staurosporine peut inhiber la GκB kinase, et donc la protéine kinase A et d'autres protéines kinases.

Ainsi, le mécanisme de mitogenèse induite par les cristaux OFC dans les fibroblastes comprend au moins deux processus différents:

• un événement rapide lié à la membrane qui entraîne l'activation de la PKC et de la MAP K, l'induction de NF-κB et des proto-oncogènes,
• dissolution intracellulaire plus lente des cristaux, ce qui conduit à une augmentation de la teneur intracellulaire en Ca ²⁺, puis à l'activation d'un certain nombre de processus dépendants du calcium qui stimulent la mitogenèse.

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Induction par des cristaux contenant du calcium MMP

Les médiateurs des lésions tissulaires causées par les cristaux contenant du calcium sont les MMP - collagénase-1, stromélysine, gélatinase 92 kD et collagénase-3.

Compte tenu de la relation entre la teneur en cristaux d'OFC et la destruction des tissus articulaires, l'hypothèse a été avancée selon laquelle les cristaux d'OFC et peut-être certains collagènes sont phagocytés par les cellules synoviales. Les synovocytes stimulés prolifèrent et sécrètent des protéases. Cette hypothèse a été testée in vitro en ajoutant de l'OFC, du PFCD et d'autres cristaux naturels ou synthétiques à des synovocytes humains ou canins en culture. L'activité des protéases neutres et des collagénases a augmenté dose-dépendante et était environ 5 à 8 fois supérieure à celle de la culture cellulaire témoin cultivée sans cristaux.

Dans les cellules cultivées dans un milieu contenant des cristaux, la co-induction de l'ARNm de la collagénase-1, de la stromélysine et de la gélatinase-92 kDa a été détectée, suivie de la sécrétion d'enzymes dans le milieu.

Les cristaux d'OFC ont également induit l'accumulation d'ARNm de collagénase-1 et de collagénase-2 dans les chondrocytes porcins matures, suivie de la sécrétion des enzymes dans le milieu.

GM McCarty et al. (1998) ont étudié le rôle de la dissolution intracellulaire des cristaux dans la production de MMP induite par les cristaux. L'élévation du pH lysosomal par la bafilomycine A a inhibé la dissolution intracellulaire des cristaux et a également atténué la réponse proliférative des fibroblastes humains aux cristaux d'OFC, mais n'a pas inhibé la synthèse et la sécrétion de MMP.

Ni le phosphate de calcium basique ni les cristaux de PFCD n'ont induit la production d'IL-1 in vitro, mais les cristaux d'urate de sodium l'ont fait.

Les données actuelles indiquent clairement une stimulation directe de la production de MMP par les fibroblastes et les chondrocytes lors du contact avec des cristaux contenant du calcium.

Les symptômes de l'arthrose indiquent un rôle important des MMP dans la progression de la maladie. La présence de cristaux contenant du calcium favorise la dégénérescence des tissus des articulations touchées.

Stimulation de la synthèse des prostaglandines

Parallèlement à la stimulation de la croissance cellulaire et à la sécrétion d'enzymes, les cristaux contenant du calcium provoquent la libération de prostaglandines à partir de cultures cellulaires de mammifères, en particulier de PGE2 _. La libération de PGE2 se produit _dans tous les cas dans l'heure suivant l'exposition des cellules aux cristaux. R. Rothenberg (1987) a déterminé que les principales sources d'acide arachidonique pour la synthèse de PGE2 _sont la phosphatidylcholine et la phosphatidyléthanolamine, et a également confirmé que la phospholipase A2 _{et NOX sont les voies dominantes deproduction} de PGE2.

La PGE1 peut également être libérée en réponse aux cristaux d'OFA. GM McCarty et al. (1993, 1994) ont étudié les effets de la PGE2 _, de la PGE et de son analogue, le misoprostol, sur la réponse mitogène des fibroblastes humains aux cristaux d'OFA. Ces trois agents ont inhibé la réponse mitogène de manière dose-dépendante, la PGE et le misoprostol présentant une activité inhibitrice plus prononcée. La PGE2 et le misoprostol, mais pas la PGE2 _, ont inhibé l'accumulation d'ARNm de la collagénase en réponse aux cristaux d'OFA.

MG McCarty et H. Cheung (1994) ont étudié le mécanisme d'activation cellulaire médiée par les cristaux d'OFC par la PGE. Les auteurs ont montré que la PGE, un inducteur d'AMPc intracellulaire plus puissant que la PGE2 _, et la PGE, inhibent la mitogenèse et la production de MMP induites par les cristaux d'OFC via une voie de transduction du signal dépendante de l'AMPc. Il est possible que l'augmentation de la production de PGE induite par les cristaux d'OFC affaiblisse leurs autres effets biologiques (mitogenèse et production de MMP) via un mécanisme de rétroaction.

Inflammation induite par les cristaux

Des cristaux contenant du calcium sont souvent présents dans le liquide synovial des patients atteints d'arthrose. Cependant, les épisodes d'inflammation aiguë avec leucocytose sont rares, tant dans l'arthrose que dans les arthropathies associées à des cristaux (par exemple, le syndrome de Milwaukee). Le potentiel phlogistique des cristaux peut être modifié par plusieurs facteurs inhibiteurs. R. Terkeltaub et al. (1988) ont démontré la capacité du sérum et du plasma sanguins à inhiber significativement la réponse des granulocytes neutrophiles aux cristaux de phosphate de calcium basique. Les facteurs responsables de cette inhibition sont les protéines de liaison aux cristaux. Une étude de l'une de ces protéines, une glycoprotéine ₂ -HS (AHSr), a montré que l'AHSr est l'inhibiteur le plus puissant et le plus spécifique de la réponse des granulocytes neutrophiles aux cristaux de phosphate de calcium basique. L'AHSr est une protéine sérique d'origine hépatique; on sait que, comparativement à d'autres protéines sériques, elle est présente en concentrations relativement élevées dans les os et les tissus minéralisants. De plus, l'AHSr est présent dans le liquide synovial « non inflammatoire » et a également été détecté sur des cristaux de phosphate de calcium basique dans le liquide synovial natif. Par conséquent, la possibilité que l'AHSr module le potentiel phlogogène des cristaux de phosphate de calcium basique in vivo ne peut être exclue.

Pour résumer tout ce qui précède, nous présentons deux schémas de pathogenèse de l'arthrose proposés par WB van den Berg et al. (1999) et M. Carrabba et al. (1996), qui combinent des facteurs mécaniques, génétiques et biochimiques.