Rôle de la fluidité membranaire dans le comportement biolubrifiant et inflammatoire des vésicules synoviales

Role of membrane fluidity in the biolubricating and inflammatory behavior of synovial vesicles

• Auteur / Autrice : Layth Ben Trad
• Direction : Thierry Granjon, Ahmed Landoulsi, Chiraz Abbes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Faculté des sciences de Bizerte (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ICBMS - Institut de Chimie et Biochimie Moléculaires et Supramoléculaires - UMR 5246 (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chiraz Abbes, Karim El Kirat-Chatel, Lazhar Zourgui, Ofelia Maniti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karim El Kirat-Chatel, Lazhar Zourgui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vésicules extracellulaires

Membranes lipidiques

Synovie

Arthropathies

Mots clés libres

Fluidite

Lubrification

Arthropathie

Lipidomique

Synoviocytes

Fluidity

Lubricant

Artropathie

Lipidomics

Synoviocytes

Résumé

Les maladies articulaires sont pour la plupart consécutives soit à une inflammation chronique auto-immune (RA), soit à un vieillissement précoce de l’articulation entière (OA) soit à un traumatisme et induisent l’usure des cartilages, ce qui se traduit par un handicap sévère. Pour l’instant aucun traitement permettant la réparation du tissu cartilagineux n'est vraiment efficace. Cela est dû principalement à la difficulté d’identifier de manière précoce les causes de ces maladies. Ces causes sont entre autres liées à la complexité structurale et biochimique du liquide synovial qui présente à la fois une fonction lubrifiante et une fonction de nutrition des cartilages. Ainsi, des études récentes, montrent que la structure du liquide synovial sain fait apparaitre des vésicules lipidiques micrométriques remplies d’un gel de glycoprotéique et entourées par des empilements des bicouches lipidiques ce qui permet l’obtention de très bonnes propriétés lubrifiantes. Par contre on ne connaît pas encore l’origine de cette structure et ses évolutions pendant les pathologies. Cette thèse a donc pour but d’une part de comprendre l’origine structurelle et fonctionnelle des vésicules du liquide synovial et d’autre part d’identifier des paramètres physicochimiques qui pourraient être utilisés en vue d’établir un diagnostic et/ou un outil thérapeutique précoce de ces pathologies. Afin de comprendre le rôle des membranes lipidiques du liquide synovial dans ces différentes pathologies, nous avons couplé des analyses de rhéologie locale membranaire avec des analyses biochimiques à partir de prélèvements humains et animaux du liquide synovial, mais aussi de modèles in vitro (cultures cellulaires de synoviocytes humaines) et ex-vivo (vésicules biomimétiques du liquide synovial). Nos résultats montrent que les grandes vésicules multi lamellaires (micrométrique) présentent dans le liquide synovial et incorporant un gel glycoprotéique, seraient issues de la synthèse cellulaire par les synoviocytes. Ceci confirme le rôle majeur des synoviocytes dans les pathologies articulaires et nous interroge sur le rôle des phospholipides dans ces pathologies. Dans ce sens, nous avons montré que les principales classes de phospholipides et le rapport acide gras saturé/monoinsaturé/polyinsaturées ne sont pas significativement modifiés par les pathologies, en analysant des prélèvements de liquide synovial ovin, canin et humain. Cela a permis ensuite de mettre au point une composition phospholipidique biomimétique et de reproduire ex vivo l’ultrastructure et la rhéologie locale des vésicules du liquide synovial sain. D’autre part, dans les situations pathologiques, nous avons montré que le rapport phospholipides totaux / protéines diminue significativement. La diminution de ce rapport pourrait être corrélée à la modification structurale des vésicules telle qu’observée en microscopie électronique. Afin de valider cette hypothèse nous avons montré que la fluidité des membranes de vésicules biomimétiques augmente significativement en présence de gammaglobuline, protéine immunitaire produite dans les pathologies articulaires de type inflammation chronique. Enfin, nous avons montré que la synthèse et les propriétés structurales et rhéologiques des vésicules extracellulaires est influencée non seulement par des facteurs inflammatoires dues aux différents pathologies (OA et RA) mais aussi par la présence de particules d’usure des implants articulaires. Toutes ces modifications structurales ont pu être corrélées avec des modification de la rhéologie locale membranaire [...]

Joint diseases are mostly consecutive either to chronic autoimmune inflammation (RA), or to early aging of the entire joint (OA) or to trauma (fracture of the femoral neck, rupture of ligaments) and induce the wearing down of the cartilage, which results in a severe handicap. For the moment, no treatment allowing the repair of the cartilage tissue is effective. This is mainly due to the difficulty of early identification of the causes of these diseases. These causes are linked, among other things, to the structural and biochemical complexity of synovial fluid, which has both a lubricating function and a cartilage nutrition function. Thus, recent studies show that the structure of healthy synovial fluid reveals micrometric lipid vesicles filled with a glycoprotein gel and surrounded by stacks of lipid bilayers, which allows very good lubricating properties to be obtained. On the other hand, we do not yet know the origin of this structure and its evolution during pathologies. This thesis therefore aims on the one hand to understand the structural and functional origin of synovial fluid vesicles and on the other hand to identify physicochemical parameters that could be used to establish a diagnosis and/or a tool. early treatment of these pathologies. In order to understand the role of the lipid membranes of the synovial fluid in these different pathologies, we coupled local membrane rheology analyzes with biochemical analyzes from human and animal samples of the synovial fluid, but also from in vitro models (cell cultures of human synoviocytes) and ex-vivo (biomimetic vesicles of synovial fluid). Our results show that the large multi-lamellar vesicles (of micrometric size) present in the synovial fluid and incorporating a glycoprotein gel, would be the result of cell synthesis by the synoviocytes. This confirms the major role of synoviocytes in joint pathologies and raises questions about the role of phospholipids in these pathologies. In this sense, we have shown that the main classes of phospholipids and the saturated/monounsaturated/polyunsaturated fatty acid ratio are not significantly modified by pathologies, by analyzing samples of ovine, canine and human synovial fluid. This then made it possible to develop a biomimetic phospholipid composition and to reproduce ex vivo the ultrastructure and local rheology of healthy synovial fluid vesicles. On the other hand, in pathological situations, we have shown that the total phospholipids/proteins ratio decreases significantly. The reduction in this ratio could be correlated with the structural modification of the vesicles as observed by electron microscopy (reduction in the size and number of the lipid membrane). In order to validate this hypothesis, we have shown that the fluidity of the membranes of biomimetic vesicles increases significantly in the presence of gamma globulin, an immune protein produced in articular pathologies such as chronic inflammation. Finally, we have shown that the synthesis and the structural and rheological properties of extracellular vesicles are influenced not only by inflammatory factors due to different pathologies (OA and RA) but also by the presence of wear particles from joint implants. All these structural modifications could be correlated with modifications of the local membrane rheology measured in a simple and rapid way thanks to the use of Dioll, a fluorescent molecule sensitive to the environment of phospholipid membranes, by following the variations of the membrane fluidity of the synovial vesicles and/or synthesized biomimetic systems. These results make it possible to envisage the long-term use of this molecule as a tool for the early diagnosis of joint pathologies.