Les arthropathies induites par des cristaux sont des maladies caractérisées par des dépôts intra- ou péri-articulaires de microcristaux, comme par exemple l’urate de monosodium (MSU) ou les cristaux de calcium phosphate basiques (BCP). Ces dépôts peuvent être asymptomatiques ou provoquer des inflammations (comme les cristaux de MSU dans la goutte, la forme prévalent de l’arthrite inflammatoire) et une érosion du cartilage (comme les cristaux BCP dans l’arthrose, la forme la plus fréquente d’arthrite érosive). Les traitements actuels pour ces deux maladies ciblent principalement les symptômes. Ce travail est axé sur l’évaluation du rôle du sulfure d’hydrogène (H2S) et de ses effets thérapeutiques dans des modèles d’arthropathies microcristallines.
H2S a récemment été reconnu comme un gazotransmetteur avec différentes fonctions biologiques comme la protection cellulaire, l’anti-inflammation, l’anti-oxydation, la régulation de l’apoptose, etc. H2S est synthétisé dans les cellules des mammifères comme sous-produit du métabolisme des acides aminés contenant du sulfure (méthionine et cystéine), à travers la voie de trans-sulfuration. Trois enzymes y prennent part : la cystathionine γ-lyase (CSE), la cystathionine β-synthase (CBS) and la 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase (3-MST).
Une des principales manifestations de la goutte est l’inflammation sévère entraînée par l’activation de l’inflammasome NLRP3 induite par les cristaux de MSU. Le premier but de la thèse était d’évaluer le rôle de H2S dans ce processus. Nous avons démontré in vitro, dans les macrophages humains et de souris, que les donneurs de H2S inhibaient l’activation de l’inflammasome NLRP3 en réduisant la formation de dérivés réactifs d’oxygène (ROS), l’activité de la xanthine oxidase, l’oligomérisation de ASC, l’activité caspase-1 et finalement la sécrétion d’IL-1 induite par les cristaux de MSU de manière dose-dépendante. Dans les macrophages déficients en CSE, l’enzyme majeure dans la production de H2S dans ces cellules, l’activation de l’inflammasome NLRP3 étaient exacerbée par rapport aux macrophages sauvages. Pour finir, in vivo dans un modèle murin de péritonite induite par MSU, le pré-traitement avec un donneur de H2S (GYY4137) a significativement réduit la quantité d’IL-6 et MCP-1 dans le lavage péritonéal. L’ensemble de ces résultats démontre que H2S exogène et endogène (produit par CSE) régulent négativement l’activation de l’inflammasome NLRP3 dans les macrophages, et de ce fait représentent une alternative intéressante en matière de traitement de maladies inflammatoires comme la goutte.
Les dépôts de cristaux de BCP (calcifications) sont associés à l’arthrose. Le deuxième but de la thèse a été d’étudier le rôle de H2S dans la calcification des articulations arthrosiques. Nous avons trouvé une corrélation négative entre l’expression de CSE et la calcification des cartilages humains dans l’arthrose. Chez les souris, l’H2S endogène produit par CSE a aussi montré un effet modulateur sur la calcification et la progression de l’arthrose. Les chondrocytes déficients en CSE présentaient plus de calcification, de production d’IL-6 et d’expression des gènes dégradant le cartilage, MMP-3 et -13. Dans le modèle d’arthrose induite par méniscectomie, les souris déficientes en CSE présentaient plus de calcifications articulaires et une arthrose beaucoup plus sévère que les souris sauvages (wt). De façon opposée, la surexpression de CSE conduisait à une réduction de calcification par les chondrocytes et les souris surexprimant CSE avaient moins de calcifications articulaires et un cartilage protégé. Finalement, les chondrocytes wt traités avec des donneurs H2S inhibaient la calcification, la libération d’IL-6 et l’expression de MMP-3 et -13. In vivo, dans le modèle de méniscectomie, l’administration de donneurs de H2S, de manière préventive ou curative, tendait à réduire la sévérité de l’arthrose. L’ensemble de ces données démontre que des donneurs de H2S ou des activateurs de CSE pourraient diminuer la calcification et l’érosion du cartilage et représenter ainsi une stratégie potentielle pour soigner l’arthrose.
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Crystal-induced arthropathies are diseases characterized by intra-articular or periarticular deposition of microcrystals such as monosodium urate (MSU) or basic calcium phosphate (BCP) crystals. These deposits can be asymptomatic or give rise to inflammation (as for MSU crystals in gout, the prevalent form of inflammatory arthritis.) and cartilage erosion (as for BCP crystals in calcification in osteoarthritis (OA), the most common form of erosive arthritis). Current treatments for both diseases are mainly directed to control the symptoms. This work was focused on evaluating the role of hydrogen sulfide (H2S) and its potential therapeutic effect in models of microcrystalline joint diseases.
H2S is a newly recognized gasotransmitter which exerts various biological functions such as cytoprotective, anti-inflammatory, anti-oxidant, apoptosis regulation etc. H2S is produced in mammalian cells mostly as a byproduct of the sulfur-containing aminoacids metabolism (methionine and cysteine) through the reverse trans-sulfuration pathway by three enzymes: cystathionine γ-lyase (CSE), cystathionine β-synthase (CBS) and 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase (3-MST).
One of the main clinical manifestation of gout is acute inflammatory episodes driven by NLRP3 inflammasome activation by MSU crystals. The first aim of my thesis was to evaluate the role of H2S on this process. We found that in vitro, in murine and human macrophages, H2S donors inhibited NLRP3 inflammasome activation by decreasing mitochondrial reactive oxygen species (ROS) generation, xanthine oxidase activity, ASC oligomerization, caspase-1 activity, and ultimately MSU-induced IL-1β secretion in a dose-dependent manner. In agreement with these results, deficiency of CSE, the major H2S producing enzyme in macrophages, lead to more NLRP3 inflammasome activation. Finally, in vivo, in a mouse model of MSU-induced peritonitis, pretreatment with an H2S donor (GYY4137) significantly decreased IL-6 and MCP-1 in peritoneal wash. Taken together, our results suggest that both exogenous and endogenous CSE-produced H2S negatively regulate NLRP3 inflammasome activation in macrophages, and therefore represent an interesting alternative for the treatment of inflammatory diseases like gout.
BCP crystal deposition (calcification) has been associated to OA. The second aim of my thesis was to study the role of H2S on OA joint calcification. We found a negative correlation between CSE expression and calcification in human OA cartilage. In mice, endogenously CSE-produced H2S also showed a modulatory effect on calcification and OA progression. CSE-deficient chondrocytes exhibited more calcification, IL-6 production and cartilage degrading enzyme MMP-3 and -13 expression. Moreover, in the meniscectomy model of OA, CSE-deficient mice displayed more joint calcification and more severe OA compared to wild-type mice. Accordingly, CSE overexpressing chondrocytes and mice showed opposite results, i.e., less chondrocyte calcification, reduced joint calcification and decreased cartilage damage. Finally, treatment of wild-type chondrocyte with H2S donors inhibited calcification, IL-6 release and expression of MMP-3 and -13. In the in vivo meniscectomy model, H2S donors administrated in a preventive or curative way, tended to reduce OA severity. Together, these data show that H2S donors or CSE activators could decrease calcification and cartilage damage, thus representing a potential disease-modifying strategy to treat OA.